1 Dimensionnement d interface radio - Rapport A. Ahmed Lala, G. Bernadac, B. Foucher, J. Huang Ce document présente le travail effectué dans le cadre du bureau d étude «Dimensionnement d interface radio pour réseaux mobiles», à travers différentes étapes : études théoriques, simulations logicielles, et mesures en conditions réelles, sur le terrain.. L I. INTRODUCTION E projet à l origine de l étude concerne une solution de stationnement intelligent aux alentours de Rangueil. Elle est basée sur LoRaWAN, un réseau sans fil à longue portée. Une station de base, située sur le toit du département du GEI, à l INSA de Toulouse, communiquera avec des objets connectés situés sur les places de parkings, qui transmettront des informations issues de leurs capteurs de présence. Le bureau d étude consiste ici à étudier la faisabilité technique du projet. Ainsi, il s agit d étudier théoriquement la technologie LoRa et son protocole sous-jacent LoRaWAN, leur principe de fonctionnement et spécifications théoriques, et puis de simuler leurs performances avec l utilitaire ICS Telecom, et enfin, la dernière étape consistera à effectuer des mesures sur le terrain et confronter les résultats avec les études théoriques et simulations, pour en conclure sur les performances réseau des noeuds et de la station de base. de Rangueil. Cette application mobile permettra à l usager de visualiser les places disponibles et de se diriger directement vers la place de parking libre la plus proche. De ce fait, le temps de recherche de place serait diminué en même temps que la pollution générée par le véhicule lors de la recherche de place. Pour ce faire nous voulons déployer un réseau de capteur en utilisant la technologie LoRa présentée ci-dessus. L objectif est de munir chaque place de parking avec un capteur LoRa. Le réseau de capteur ne serait muni que d un unique gateway situé sur le toît du GEI à une hauteur d environ 15m du sol. La zone à couvrir est la zone universitaire regroupant le campus de l Université Paul Sabatier, l INSA, l ENAC, SUPAERO, le CNES, l ONERA et la Faculté de Pharmacie. Le nombre de places de parking est estimé à 8000. II. PRESENTATION DE L'INTERFACE RADIO LORA LoRa est un réseau de type LPWAN : Low-Power Wide-Area Network. Il s agit d un réseau sans-fil à bas débit et longueportée, adapté aux applications IoT et aux faibles volumes de données à transmettre. Déployé dans plusieurs pays européens, et partiellement dans près de quatre-vain dix pays, LoRa se démarque pour ses avantages, notamment la faible consommation de ses modules, et la longue portée qu elle peut atteindre, théoriquement 1 km en zone dense, et jusqu à 15 km en zone rurale. LoRa a également la particularité, contrairement à Sigfox par exemple, de proposer à ses clients d installer eux même leur propre infrastructure LoRa, sans dépendre d un opérateur précis. III. CAS D'ETUDE A. Paramètres du réseau LoRa étudié L objectif final est de concevoir une application permettant de simplifier le stationnement des automobilistes sur le campus Figure 1 - Zone à couvrir pour les besoins de l application B. Présentation du module radio LoRa Nous utilisons comme module LoRa le Semtech SX1272. Il fait office de transciever (émetteur/récepteur) pour le réseau LoRa : il est capable d émettre sur une plage de fréquence comprise entre 860 et 1000 MHz et utilise le protocole LoRaWan pour communiquer. Ce transciever étant le plus répandu pour les réseaux Lora actuel, il était judicieux de l utiliser comme appareil de référence pour les mesure que nous ferons sur le terrain. Une antenne LoRa est positionnée sur le toit du GEI, et envoie une trame toutes les 5 secondes. Elle est équipé d une antenne omnidirectionnelle adaptée en impédance (50 Ohms à 868
2 MHz), d un gain environ égal à -0.5 dbi. Les autres modules utilisés en mode réception sont quant à eux équipés d une antenne omnidirectionnelle adaptée en impédance (50 Ohms à 868 MHz) d un gain de 2.5 dbi. Alimentés par des ordinateurs portables, les mesures pourront s effectuer en se baladant à une vitesse assez faible dans toute la zone à couvrir. C. Présentation de l'outil de planification ICS Telecom est un logiciel développé par la société ATDI, et dédié à la planification de réseau sans fil. Il supporte différents types de liaison et de réseaux sans fil, et permet de simuler la portée des capteurs Lora dans un nombre varié d environnements et de topologies (Indoor, outdoor, wood, etc). On l utilise ici pour réaliser une simulation théorique avec plusieurs stations de base et des centaines d abonnés (ici dans notre cas, des capteurs Lora) mobiles, et en observant la qualité de lien pour chaque nœud. D. Présentation du matériel de mesure sur terrain Les mesures seront réalisées à partir d une carte embarquée, un Arduino Mega 2560. L avantage du matériel réside dans sa petite taille et sa simplicité d utilisation. Sur celui-ci seront montés, par l intermédiaire d une carte d interconnexion, un module GPS et le module LoRa SX1272, vu précédemment. Le module Adafruit Ultimate GPS Breakout v3 intègre une antenne GPS qui se charge de donner des informations de localisations Deux librairies sont fournies : Sx_1272, basée sur Libellium, qui contient l ensemble des fonctions nécessaires à la transmission de données, adaptées à la carte Arduino utilisée, et la librairie Adafruit_GPS, qui permet d initialiser le module GPS et d en extraire les données. A chaque réception d un trame, nous allons pouvoir lui associer les coordonnées GPS correspondantes à sa position précise. Ainsi, nous serons en mesure d afficher la puissance du signal reçu en fonction de la localisation. IV. ETUDE THEORIQUE DES PERFORMANCES DU RESEAU LORA Dans cette partie vous présenterez les paramètres utilisées pour modéliser la zone à couvrir (modèle de terrain) et simuler le réseau LoRa (paramètres utilisés). A. Evaluation de la portée basée sur un modèle de propagation empirique Lors de l étude théorique, nous avons utilisé deux modèles pour calculer la distance à laquelle la puissance du signal passerait en dessous du seuil de réception. ellipsoïde de Fresnel. Ce modèle peut être utilisé pour les transmissions intersatellites, mais il ne convient pas à notre cas d étude (nous ne satisfaisons aucun des critères mentionnés cidessus). Cependant il peut nous permettre d avoir un ordre d idée de la borne maximum à laquelle nous pouvons nous attendre. ( d( km) ) + 20 log( f( MHz) ) L ( db) = 32.4+ 20 log (1) 0 Nous constatons que le résultat obtenu est aberrant, une seule antenne émettant à -16 db serait incapable de couvrir la France entière à elle seule. Cependant, compte tenu du modèle utilisé, il est normal pour nous d obtenir un résultat aussi important. Le second modèle est le modèle COST231 - Walfish-Bertoni. Ce modèle est adapté aux transmissions en milieu urbain avec des antennes d émission et de réception placées sur les toits. Il est adapté pour des fréquences d utilisation comprises en 800 MHz et 2 GHz. Et nous sommes supposés soustraire 20 db à chaque coin de rue pour tenir compte de l effet guide d onde de ces dernières. Nous n appliquons pas les 20 db par coin de rue, de cette manière nous obtiendrons une approximation haute de distance maximale. Encore une fois, même s il est nettement inférieur, le résultat est beaucoup trop grand pour être confronté à la réalité. Cependant nous avons maintenant la certitude que la distance nécessaire à la perte du signal est inférieur à 80 km. Figure 2 - Tableau récapitulatif de l étude basée sur les méthodes empiriques Le premier est le modèle ITU-R 525. Ce modèle considère une propagation en espace libre avec visibilité directe entre l émetteur et le récepteur ainsi qu un dégagement du premier
3 B.! Evaluation de la portée basée sur un modèle numérique de terrain Dans la simulation avec logiciel ICS Telecom, nous simulons une station de base qui se situe autour du bâtiment GEI, et qui est configurée suivant les paramètres précisés sur la figure 1. On suppose que la station de base et les capteurs de réception possèdent les mêmes paramètres. Dans ce cas là, on lance une simulation et on obtient une portée basée sur un modèle numérique de terrain comme sur la figure suivante : Figure 3 Couverture théorique actuelle de la zone de Rangueil Figure 4 - Bilan de liaison avec un bloc d immeubles compact Du fait de la contrainte de sensibilité du logiciel, on ne peut qu'observer la portée qui est supérieure à -126 dbm. Dans ce cas là, on pense à convertir l unité de la puissance d émetteur et de récepteur en augmentant la puissance de 30 dbm, soit 25.17W (avant 0.02517 W), grâce à cela, on peut observer clairement la réelle portée du système. En résumé, on peut dire que la portée du réseau LoRa est suffisante pour couvrir une bonne partie du campus de Rangueil avec une sensibilité de réception de -137dBm. On a aussi analysé le bilan de liaison entre deux points qui se situent dans la zone de bloc d immeubles compacte, comme le montre la figure ci-dessous :
4 autres immeubles, c est une solution pour réduire l atténuation du signal. Figure 5 - Bilan de liaison avec une faible hauteur d antenne! Figure 6 - Bilan de liaison avec une hauteur d antenne considérable On peut remarquer que la courbe rouge est un signal émis calculé avec l équation Friis (théoriquement espace libre), et la courbe verte est le résultat calculé avec l'environnement du terrain, on peut analyser que : à cause de l'existence d immeuble dans notre zone Rangueil, on a toujours le problème de multitrajet ou interférence et atténuation important entre l émetteur et le récepteur, dans ce cas là, en considérant l atténuation importante dans l environnement citadin, on doit penser à agir sur la hauteur de l antenne pour réduire le plus possible l influence d immeubles. Ainsi pour les parkings qui se situent au-dessus du terrain (dans la bâtiment), on doit considérer ajouter des antennes supplémentaires pour assurer une bonne qualité de transmission. Dans la figure suivante, on peut obtenir une meilleure qualité du signal grâce à suffisamment de hauteur d antenne. Notre antenne a été mise à une hauteur un peu plus haute que celle des V.! RESULTATS DES MESURES SUR TERRAIN
5 Figure 7 Graphique de la puissance du signal reçu en fonction de la distance émetteur/récepteur Nous avons voulu tracer le graphique représentant la puissance du signal reçu en fonction de la distance entre l émetteur et le récepteur. Pour ce faire, il a été nécessaire de calculer la distance entre deux points sur Terre en ne connaissant que la latitude et la longitude de ces derniers. Calcul de la distance entre deux point sur la terre en utilisant la longitude et la latitude : Distance=ACOS(SIN(RADIANS(Lat1))*SIN(RADI ANS(Lat2))+COS(RADIANS(Lat1))*COS(RADIANS (Lat2))*COS(RADIANS(Long1Long2)))*RayonTerre Malgré une tendance globale décroissante, on voit bien qu il est impossible de déterminer la puissance du signal reçu en tenant compte uniquement de la distance entre les deux antennes. Cela met en évidence l importance des éléments extérieurs dans la réception du signal. Figure 8 - Heatmap des mesures sur le terrain
6 être expliquées par la distance entre les deux antennes. Cependant on remarque que la zone de l ENAC est sensiblement plus proche, et le signal est parfois reçu sans problème à des distances plus importantes. On peut alors expliquer la perte de signal par la présence des grands bâtiments du campus ISAE SUPAERO. https://fusiontables.google.com/datasource?docid=1_2pwdfr awog86zza6hs4oacyg36wi kad9elyuzhi Cette carte permet de visualiser les points mesurés et d appliquer un filtre sur les points affichés (n afficher que les point pour lesquels le RSSI est supérieur -100 dbm par exemple). VI.! CHOIX DE DIMENSIONNEMENT DU FUTUR RESEAU LORA Notre étude théorique sur ICS Telecom nous a permis de nous rendre compte qu avec les paramètres actuels de l antenne située sur le toit du GEI et compte tenu de la topologie du terrain, une zone importante au Sud Est du campus n était pas couverte. Une solution possible pour palier à ce problème serait d augmenter la puissance d émission de l antenne. Une autre solution possible serait de placer une autre antenne au Sud Est du campus qui permettrait, en complément de celle placée sur le toit du GEI de couvrir l intégralité du campus, permettant à tous les utilisateurs (les antennes réceptrices au niveau des places de parking) de recevoir le signal émis par les 2 antennes. Figure 9 - Carte des mesures, un point représentant une mesure! http://mgo.ms/s/2gvm6 La carte est consultable en ligne, avec la possibilité de superposer les calques et de cliquer sur les points pour voir la valeur du RSSI mesurée. Sur ces cartes, les zones et points les plus rouges sont ceux où la puissance du signal reçu est la plus forte. Au contraire les points les plus clairs et les zones les plus bleues montrent que la puissance du signal reçu est faible ou inexistante. Cette carte nous permet de voir les limites de réception du signal. En effet le signal est perdu à plusieurs endroits : sur le chemin des Côtes de Pech David le long du périphérique, aux points les plus éloignés du campus UPS (non loin du lycée professionnel Renée Bonnet) et au niveau de l ENAC et du CNES. La perte de signal sur les deux premières zones peuvent Figure 10 Couverture du campus avec deux antennes, par ICS Telecom
7 VII. CONCLUSION Dans ce bureau d étude, nous avons pu mettre en œuvre un dimensionnement d interface radio, à travers des études théoriques et des mesures pratiques. Il a été particulièrement intéressant de pouvoir confronter les données théoriques du constructeur, notamment en termes de portée maximale, avec celles de modèles de propagation et du simulateur ICS Telecom. En effet, elles nous permettent d avoir une idée plus précise et plus proche de la réalité et des configurations dans lesquelles notre application sera utilisée. Enfin, la différence entre ces données et les résultats de nos mesures est notable, et il nous permet de prendre du recul face aux données théoriques des constructeurs.