Concevez un objet connecté autonome du capteur à son antenne

On résumera cette introduction par « Nemo censetur ignorare », pour aviser le lecteur que le domaine de la RF exige des spécifications pour garantir coexistence et qualité de service.

On retiendra macroscopiquement ces organismes :

• ANFR (Agence Nationale des Fréquences), établissement public administratif créé par la loi de réglementation des télécommunications du 26 juillet 1996, qui a pour mission la gestion du spectre radioélectrique en France ;

• ARCEP (Autorité de Régulation des Communications Électroniques et des Postes), créée le 5 janvier 1997 sous le nom d’Autorité de régulation des télécoms (ART), qui a un certain nombre de prérogatives ;

• UIT (Union Internationale des Télécoms) ;

• ETSI (European Telecommunications Standards Institute) ;

• FCC (Federal Communications Commission) ;

• IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).

Et nous avons des éléments précis sur la décomposition en canaux, la puissance d’émission, le taux d’occupation de la bande et un contexte normatif auquel se conformer, qui peut se décliner différemment selon les pays :

Le choix de la fréquence se fait principalement grâce aux critères suivants :

• la connectivité avec d’autres applications (exemple du BlueTooth Low Energy et sa connectivité avec le smart phone),

• le caractère mono ou bidirectionnel,

• le débit de données,

• la distance à couvrir entre l’émetteur et le récepteur,

• l’énergie disponible et la contrainte de durée de vie sur pile ou batterie pour des objets autonomes,

• l’intégration de l’antenne,

• l’aspect normatif, qui diffère selon les pays (exemple de la bande 869Mz et 915MHz qui diffère selon que l’on soit en Europe ou aux US). 

En ce qui concerne le domaine de l’IoT des objets connectés, le jargon du technicien du domaine qui souhaite s’emparer d’un projet création d’objet connecté manipule des concepts :

• de M2M (Machine To Machine) ;

• de fréquences dans la bande ISM (Industrial, scientific and medical), où l'on identifie trois familles principales, 315 MHz & 434 MHz, 868 MHz & 915 MHz (780 MHz & 950MHz) et la bande 2.4 GHz ;

• de réseaux LPWAN (Low Power Wide Area Network pour réseaux basse consommation et longue distance) :

  • réseaux non cellulaires (Sigfox, LoRa, Qowisio, Wize, Weightless-P…) considérés comme des réseaux dédiés à l’IoT,

  • réseaux (LTE-M, NB-IoT) s’appuyant sur les réseaux cellulaires existants.

Mais s’ajoutent aussi des solutions s’appuyant sur les réseaux mobiles existants, avec des normes définies par le 3GPP et deux protocoles repris par les opérateurs télécom :

Fréquence ou Bande de fréquences ?

Une bande radio fréquence se décompose en plusieurs sous-bandes, avec des contraintes réglementaires qui sont, principalement :

• la puissance d'émission : elle varie entre 10mW et 500mW, classiquement 25mW sur la bande 869MHz soit environ 14dBm selon l’expression :  P(dBm)=10log10(P(mW)/1mW) ;

• le rapport cyclique ou duty cycle : il définit le temps maximum pendant lequel un équipement a le droit d'émettre ; exprimé en % d’heure, un duty cycle de 1% signifie que le device peut communiquer 36s par heure ;

• la largeur de canal : elle peut être libre ou imposée en fonction des sous-bandes.

À ce titre, dans l’exemple du 2.4Ghz, en fait on parle d’intervalles, c’est-à-dire de canaux qui ont des intervalles (13 canaux entre 2.4GHz à 2.5GHz) où l’objet communicant va pouvoir transmettre des datas. Cette décomposition en canaux permet un partage de la bande, mais va nécessiter de définir une stratégie de synchronisation pour se « retrouver » et communiquer dans le même canal ou en changer.

De nombreux paramètres influent sur la distance de communication. En supposant définie (ou imposée) la fréquence de transmission et le type de modulation (quasi toutes en modulation numérique de fréquence) et donc la puissance RF autorisée par la norme, les paramètres qui permettront, ou pas, de tirer le maximum de profit du transceiver choisi sont :

• le choix et le type de l’antenne (le "facteur de forme"),

• le placement des antennes à l’intérieur du facteur de forme mécanique qui confère encombrement et design du produit avec la présence et le positionnement d’éléments métalliques (batterie, contacts piles, fils...),

• la qualité du routage autour de l’antenne et du transceiver lors de la conception du circuit imprimé (des préconisations sont souvent fournies dans des notes d’application des chips),

• la qualité au sens SNR des tensions de polarisation et du GND.

            PrPt=GrGt(λ4πX)2

avec :

•  X :  distance émetteur-récepteur,

• λ  : longueur d’onde,

•   Pt, Pr : puissance exprimée en Watts (W) respectivement délivrée à l'antenne d'émission et collectée sur l'antenne de réception (pertes d'adaptation et rendement non compris),

•  Gr, Gt : respectivement le gain linéaire de l'antenne d'émission et de l'antenne de réception.

On exploite cette équation en retenant que la perte de puissance dans les espaces libres est proportionnelle au carré de la distance et de la fréquence radio, soit exprimée en dB :

            FreeSpaceLoss[dB]=32.5+20.log(D[km])+20.log(F[MHz])

On peut récrire la formule pour donner la distance théorique de communication en fonction de la marge de puissance en dB entre l’émetteur et le récepteur (gain d’antenne compris).
            D[km]=10(FSL[dB]20−log(F[MHz])−1.625)

Calculons la distance théorique en champ libre pour, par exemple, un bilan de liaison de 75dB et, pour avoir des ordres de grandeur, reportons les débits et taille d’antenne quart d’onde.

La différence semble anodine mais, en reprenant l’équation de la perte en champ libre, on peut estimer le rapport de distance pour les différentes baudrates avec Δ[dB] la variation de sensibilité en dB :

             α.D[km]=10(FSL[dB]+Δ[dB]20−log(F[MHz])−1.625)

              α.D[km]=10(FSL[dB]20−log(F[MHz])−1.625)×10(Δ[dB]20) 

La variation de distance se calcule donc ainsi :

             α=10(Δ[dB]20)

En conséquence, les 56m théoriques calculés précédemment pour une fréquence de 2.4GHz vont varier significativement selon le débit :

Non content d’influer sur la portée, le baudrate influe aussi directement sur la consommation. En effet, les transceivers RF ont la même consommation, peu importe le baudrate. Par contre, plus le baudrate est élevé, plus le temps de transmission est court pour la même quantité de données. La relation est linéaire. En reprenant l’exemple précédent, pour un transceiver consommant 15 mA en transmission et une trame de 20 octets, on obtient le coût énergétique  suivant fonction du baudrate :

Le tableau ci-après résume des critères de choix pour orienter le concepteur :

Le choix d’un canal radio de transmission sans fil impose de prendre en compte la fréquence, la largeur de bande, le type de modulation, le débit, la puissance disponible tout en étant conforme à des réglementations définies dans des normes.

Nous avons vu que distance de transmission et débit sont antinomiques et que la portée radio peut être estimée analytiquement dans un environnement sans obstacles (« en champ libre ») mais nécessite des outils de simulation numérique très élaborés en conditions indoor.

Le chapitre suivant présente des critères de choix d’antenne, avec un focus sur les antennes patchs ou PCB qui rendent communicants nos objets nomades.