Architecture de traitement du signal pour les couches physiques très haut débit pour les réseaux de capteur : Application à la métrologie dans un contexte aéronautique et spatial
Résumé
To evaluate a system's compliance with its specified requirements, Hardware System Testing is conducted on the complete and integrated system. This phase is essential in all industry branches, especially in the very regulated and critical aerospace world. In the final phase of the development of an airplane, flight test equipment gathers and analyzes data during flight to evaluate the flight characteristics of the aircraft and validate its design, including safety aspects. One of the most critical tests is the measure of the pressure around the wings during flight. All new aircrafts are computer designed with the use of virtual wind tunnels. So, very accurate measures have to be done on the aircraft to validate the model before the aircraft can be industrially produced. In the case of satellites, vibration and mechanical stress are two critical phenomena a satellite endures during launch. This is leading to the necessity for accurate ground tests using strain gauges or thermal sensors before allowing a launch. All such systems used by aircraft and satellite manufacturers today are wired systems. Sensors put around the wings or inside the satellite compartments are wired to a concentrator inside the cabin or the operator's room. Although good performances are observed in terms of measurement accuracy, these systems have strong drawbacks. The two most important ones are the weight and the cost of both the systems and their installation. An additional drawback concerning its use on aircrafts is due to the installation of a system that increases the weight of the aircraft and immobilizes it during many weeks due to the routing of every cable inside the wings. The cost and the complexity of such systems don't allow a great number of measurement points. The replacement of conventional measurement networks by wireless sensor networks is not an obvious solution. Despite the great interest in wireless sensor networks in the recent years, the technological barriers are still very numerous and there is currently no protocol to meet the expectations and needs of aviation professionals. The work presented in this thesis aims to meet the needs of a high-speed, low power consumption, low emission and reliable communication layer. Measurements have been performed in real conditions using commercial devices based on the protocol MB-OFDM/Wimedia, the most common standard that approach the need expressed, and have served to define the basis of the study and have helped to select best development tracks. Measurements have demonstrated also the specificity of the propagation channel. In order to reduce the time between the choice of algorithms and their testing in real conditions, it became necessary to use a design flow called Specification - Exploration - Improvement based on automatic synthesis tools. This development cycle has identified specific material needs for the design of the demonstrator. The physical layer is based on an OFDM system and UWB to achieve a data rate of over 150 Mb/s. A fully functional demonstrator, implemented on FPGA and composed of four communicating nodes was presented and has been used to validate the physical layer. Finally first steps to develop a digital ASIC are presented to achieve the goal of low power consumption.
Lors du développement d'un nouvel avion, la phase précédant l'obtention du certificat de navigabilité est basée sur de nombreux essais au sol ou en vol. L'une des formes d'essai les plus délicates est la mesure de la pression de l'air autour de l'aile. Ces mesures permettent à la fois d'évaluer les deux composantes fondamentales de l'aérodynamisme que sont la portance et la trainée, de valider les résultats de simulation, et d'améliorer les données d'entrée des souffleries virtuelles pour les futurs développements. Dans le domaine spatial, le lancement est l'une des phases les plus critiques pour les systèmes. En effet, les structures doivent faire face à un stress mécanique et à des vibrations importantes qui ne doivent endommager ni le satellite ni les instruments embarqués. Des essais sol particulièrement rigoureux sont donc réalisés préalablement au lancement afin de vérifier que la charge utile ne sera pas endommagée. Des milliers de capteurs de pression ou de jauges de contrainte sont utilisés par les industriels du secteur pour ce type d'essais. Tous ces éléments sont aujourd'hui connectés entre eux par des ï¬ls. La première difficulté liée à cette forme d'installation est le poids supplémentaire imposé à la structure. Ce poids représentant une préoccupation importante en aéronautique, il est très délicat d'alourdir l'avion en ajoutant, le temps de l'essai, une quantité importante de câbles sur l'aile dans le seul but de connecter des capteurs entre eux. D'autres contraintes sont également associées au déploiement de ces réseaux de capteurs. La mise en place ces systèmes de mesure ï¬laire engendre en effet un cout important, tant en raison du prix des câbles que de la très longue immobilisation de l'appareil nécessaire à l'installation du système. Cette dernière contrainte ï¬nancière, très lourde, est de plus en plus difficile à supporter pour les industriels. Le remplacement des réseaux de mesure classiques par des réseaux de capteurs sans ï¬l est une solution évidente aux différents problèmes soulevés. Cela permettrait également d'augmenter le nombre de points de mesure. Malgré le grand intérêt porté à la question des réseaux de capteur sans fil, les verrous technologiques sont encore très nombreux et il n'existe aujourd'hui aucun protocole permettant de répondre aux attentes et besoins des professionnels de l'aéronautique. Les protocoles classiques comme ZigBee ou Bluetooth ne permettent en effet d'atteindre, ni le débit nécessaire (plus de 100Mbits/s) ni le nombre de nœuds du réseau (plus de 800). Les travaux présentés dans cette thèse ont ainsi vocation à répondre aux besoins d'un canal de communication très haut débit, basse consommation, à faible puissance d'émission, fiable et autorisant un grand nombre de nœuds. Des mesures en conditions réelles effectuées à l'aide de circuits commerciaux reposant sur le protocole MB-OFDM/Wimedia, le standard le plus approchant du besoin exprimé, ont servi à la définition des bases de l'étude et ont permis de choisir des pistes de développement. Les mesures effectuées ayant démontré la spécificité de l'environnement de propagation, et n'ayant pas permis de définir un modèle de propagation suffisamment fiable, il est apparu nécessaire de recourir à un flot de conception utilisant des outils de synthèse de code automatique. Ce mode de développement, relativement original dans un contexte de recherche, a permis d'identifier précisément les besoins matériels nécessaires à la conception du démonstrateur, et de réduire considérablement le délai entre le choix des algorithmes et leurs tests en conditions réelles. La couche physique développée est basée sur un système OFDM ultra large bande permettant d'atteindre un débit de plus de 150 Mbits/s. Un démonstrateur parfaitement fonctionnel, implémenté sur FPGA et composé de quatre nœuds communicants a été réalisé et a permis de valider la couche physique. Enfin sont présentées des pistes pour le développement d'un ASIC numérique permettant d'atteindre l'objectif de faible consommation.
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