étude de l`intégration d`une antenne 5,8 GHz et d`une

COMMUNICATIONS ENTRE VEHICULES : ETUDE DE
L'INTEGRATION D'UNE ANTENNE 5,8 GHz ET D'UNE LIAISON
RADIO UTILISANT LE STANDARD IEEE 802.11a
Martine Ibambe Gatsinzi (1) - Xavier Bunlon(1) - François Jouvie (2) - Thierry Letertre (3)
- Alain Azoulay (2)
(1)
Département de l’Électronique Avancée - RENAULT SAS - Technocentre Renault, 1, avenue du Golf - 78288
GUYANCOURT, [email protected]
(2)
Département de Recherche en Electromagnétisme - (3) Département des Télécommunications - SUPELEC, 3,
rue Joliot-Curie 91192 GIF SUR YVETTE
Résumé. L’étude présentée dans ce document porte
sur une antenne 5,8 GHz intégrée sur véhicule dédiée
aux communications automobiles à courte portée. Elle
consiste à examiner l’impact de la structure du
véhicule sur le rayonnement de l’antenne émettrice.
Les résultats montrent que l’intégration introduit des
ondulations dans le diagramme de rayonnement.
Nous étudions ensuite les résultats d’une étude
expérimentale d’une communication sans fil à
5,26GHz avec le standard 802.11a dans un
environnement routier. Les mesures ont été réalisées
en situation réelle de circulation sur route où nous
avons évalué les performances d’une communication
inter-véhicules impliquant deux véhicules en
mouvement. L’analyse des résultats permet de
montrer que les performances sont meilleures en zone
dégagée.
Ce document présente dans la section II, une étude
d’une antenne 5,8GHz intégrée sur des structures
représentatives de véhicules automobiles. Nous
présentons les résultats de simulation obtenus avec les
logiciels FEKO et CST MWS, et validés par la
mesure. Ensuite, nous analysons dans la section III, la
propagation à courte portée dans la bande des 5GHz
d’un point de vue d’une communication sans fil avec
le standard IEEE802.11a.
DSRC
Bande ISM
RTTT*
WLAN
5
5,2
5,3
(a)
Bande demandée
pour les
communications :
V2V & V2I
(b)
5,795 5,805 5,815
5,725
5,875
5,9
5,925
GHz
*Road Transport and Traffic Telematics
I. INTRODUCTION
Dans l’Union Européenne, il y a environ 1,3 millions
d’accidents à l’origine de 1,7 millions de blessés et
43000 morts (statistiques de 2006).
De nombreux projets ayant pour objectif la réduction
de moitié du nombre de victimes de la route d’ici
2010, tel que l’initiative eSafety [1], sont actuellement
en cours d’étude. Ils regroupent les autorités de
transport, les constructeurs et les équipementiers
automobiles ; et encouragent le développement de
systèmes de transport intelligents. Par exemple, les
systèmes
DSRC
(Dedicated
Short
Range
Communications) basés sur la communication à
courte portée entre véhicules (V2V) et entre un
véhicule et l’infrastructure (V2I) via des points
d’accès placés au bord de routes, pour une gestion
avancée du trafic, permettraient à long terme de
rendre la conduite plus sûre et plus confortable [2].
En Europe, comme montré dans la figure 1, une bande
de fréquence située dans la bande ISM des 5,8 GHz
est actuellement allouée aux services de télépéage.
Afin d’éviter toutes interférences avec d’autres
applications ou tous problèmes de retards dans la
transmission, il est prévu, pour l’année 2008/2009,
d’affecter aux applications automobiles une bande
protégée allant de 5,875 GHz à 5,925 GHz.
Figure 1 - Allocation fréquentielle des systèmes de
transport intelligents en Europe.
II. ANTENNE POUR APPLICATIONS DSRC
L’antenne 5,8GHz est présentée dans la figure 2.
C’est une antenne patch en réseau fonctionnant dans
la bande DSRC [3],[4].
z
Emetteur
y
Diélectrique : εr=2,33
x
Plan de masse
Figure 2 - Antenne patch étudiée
Pour évaluer la corrélation entre les résultats de
simulation et de mesure, puis l’impact de l’intégration
sur le rayonnement de l’émetteur, nous avons choisi
deux configurations comme exemples parmi d’autres
étudiées au cours de nos travaux. Dans la première,
l’antenne patch est placée entre deux plaques
métalliques distantes de 2λ0 (λ0 longueur d'onde à
5,8GHz), comme illustré sur la figure 3. Ceci
représente une approche simple d’une antenne cachée
dans une structure métallique d’un véhicule. Dans la
seconde, cette antenne 5,8GHz est montée sur une
structure canonique d’un véhicule à l’échelle ½, au
niveau de l’ouverture du pare-brise, comme montré
sur la figure 6. L’échelle ½ pour le véhicule a été
choisie dans le but de réduire le nombre d’inconnues
dans la simulation numérique. La maquette fabriquée
est composée entièrement de cuivre.
y
x
50cm
φ
23cm
θ
z
27cm
50cm
Antenne
Ouverture
2 plaques
conductrices
2λ0
Figure 3 - Intégration de l’antenne entre 2 plaques
métalliques.
Les gains simulé et mesuré de l’émetteur placé entre
les deux plaques conductrices sont représentés sur la
figure 4. La mesure a été réalisée dans une base
champ proche sphérique 3D utilisant la technique de
transformation modale du champ proche en champ
lointain. Le gain est tracé en fonction de θ où 0°
représente la direction selon l’axe z. Les résultats
démontrent qu’il y a une bonne corrélation entre la
simulation et la mesure. En outre, en comparant les
rayonnements de l’émetteur en espace libre, puis placé
entre deux plaques sur la figure 5, nous observons
qu’il y a dans la direction principale (selon l’axe z)
des ondulations dues au phénomène de diffraction par
l’ouverture.
Sur la figure 8, nous présentons les diagrammes de
rayonnement de l’émetteur placé sur la maquette,
obtenus en simulation et en mesure. Cette mesure est
faite dans la base champ proche hémisphérique de
Renault, présentée sur la figure 7, constituée de deux
réseaux de sondes sur une demi-arche de 6m de rayon,
couvrant une bande de fréquence de 70MHz à 6GHz.
Les résultats montrent qu’il y a un bon accord entre la
mesure et la simulation. En confrontant sur la figure 9,
le gain de l’émetteur en espace libre, puis le gain de
l’émetteur placé sur le pare-brise et enfin celui de
l’émetteur sur le pare-brise avec la présence d’un sol
diélectrique défini par εr = 3 et σ =1,3e-2 (valeurs
courantes) nous notons que l’intégration introduit des
ondulations dans la zone de rayonnement privilégiée,
dues à l’interaction avec la maquette et le sol. Les
résultats présentés montrent que la simulation permet
de valider des choix d’intégration d’antennes dédiées
aux communications V2V et V2I.
x
z
Antenne
y
Pare-brise
Figure 6 - Antenne patch intégrée sur le pare-brise
d’une maquette de véhicule à l’échelle ½.
10
5
0
-180 -150 -120 -90
-60
-30
-5
0
30
60
90
120 150 180
-10
Figure 7 - Base champ proche hémisphérique de
Renault située au Centre Technique d’Aubevoye.
-15
0
-20
330
FEKO
-25CST MWS
Mesure
300
-30
Figure 4- Gain [dB] de l’émetteur entre 2 plaques
conductrices, à f=5,8GHz pour φ=0°.
270
Antenne en espace libre
Antenne entre les 2 plaques conductrices
5
0
-90
-60
-30
-5
0
30
60
90
120
150
-10
-15
-20
-25
-30
FEKO
CST MWS
Mesure
30
60
90
Figure 8 - Gain en dB de l’émetteur pour l’antenne
placée sur le pare-brise à f=5,8GHz.
10
-180 -150 -120
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
Figure 5 - Impact des plaques sur le rayonnement,
à f=5,8GHz. Gains mesurés en dB pour φ=0°.
180
Antenne en espace libre
Antenne sur la maquette
Antenne sur la maquette en présence d'un sol diélectrique
0
10
30
330
5
0
-5
60
-10
300
-15
-20
-25
-30
90
270
Figure 9 - Impact de la maquette et d’un sol sec
sur le rayonnement de l’émetteur à f=5,8GHz.
Gain simulé en dB avec FEKO.
III.
CARACTERISATISATION
PROPAGATION A COURTE PORTEE
D’UNE
Le standard en cours de développement pour des
futures applications DSRC automobiles dans la bande
de 5,9GHz est l’IEEE 802.11p. Il est dérivé du
protocole IEEE 802.11a, dédié aux liaisons de type
WLAN (Wireless Local Area Network) et permettra
l’échange de données dans un environnement routier.
Le but de cette étude est d’évaluer les performances
d’une communication V2V sur routes avec le
protocole 802.11a dans la bande des 5GHz. Nous
utilisons le protocole 802.11a car il est déjà
disponible, et est basé sur la même technique de
modulation et de codage que le 802.11p.
Des travaux similaires ont déjà été publiés. Dans [5],
les auteurs s’intéressent à la communication V2I, et
[6] montre que la position des dipôles récepteurs
utilisés a un impact sur les performances d’une
communication V2V. Dans ce document, nous
examinons la qualité de la liaison radio, dans un
environnement routier variant fortement d’un parcours
à l’autre, avec des antennes placées uniquement dans
l’habitacle.
III.1 Description de l’étude expérimentale
Pour cette étude, nous disposons de deux véhicules et
de deux PC portables en mode émetteur et récepteur
(ou client/serveur). D’une part, le PC émetteur est
connecté à un point d’accès, posé sur le tableau de
bord du côté passager d’un véhicule Kangoo. D’autre
part, le PC récepteur a une carte PCMCIA, basée sur
le protocole 802.11a/b/g, et est placé sur la plage
arrière d’une Laguna II. Sur route, la Laguna est
suivie par le véhicule Kangoo, comme représenté dans
la figure 10. Pour enregistrer les parcours, un GPS est
utilisé. Pour générer un trafic de données, nous
utilisons
un
logiciel,
appelé
IP
trafficTest&Measurement, comme illustré dans la figure 11.
Il permet d’évaluer les performances et la qualité du
réseau IP au moyen de paramètres suivants : le débit
utile et les retard inter-paquets. Les PC et le point
d’accès sont alimentés par deux onduleurs branchés
sur batteries.
Laguna 2
Kangoo
Point d’accès
Figure 10 – Positionnement des véhicules.
Dans la Kangoo
Dans la Laguna 2
Emetteur (point d’accès)
Réseau IP
Générateur du trafic IP
(IP traffic – Test&Measurement :
Pilote de la liaison)
Récepteur (carte PCMCIA, basée
sur le protocole 802.11a/b/g)
Figure 11 – Schématisation du réseau IP utilisé
dans un environnement automobile.
III.2 Analyse des résultats
L’un des parcours étudié est représenté dans la figure
12, et se trouve dans le département de l’Essonne : 1)
Sur le Plateau de Moulon autour de Gif sur Yvette, 2)
sur la nationale N118, 3) dans le centre ville d’Orsay
et sur le domaine universitaire. Les véhicules, roulent
à la vitesse maximale autorisée sur les différentes
portions de routes empruntées et restent espacés d’une
distance variable suivant la vitesse des véhicules et
compatible avec la sécurité "routière" soit: environ
10m en ville et 50m sur route.
Supélec
Figure 12 – Parcours Plateau de Moulon.
Sur la figure 12, nous localisons sous forme de "pins"
les endroits où survient la coupure de la liaison due au
faible débit ou au retard important de paquets, et où il
faut relancer le logiciel pour rétablir la
communication. Sur la figure 13, le débit utile en
transmission en Mbits/seconde (Mb/s) est tracé en
fonction de la durée du parcours en minute (min).
Tout d’abord, sur le trajet de Supélec vers la N118
(couleur magenta), le débit est autour de 10Mb/s.
Cependant, à 0,4min (24s) et à 2,4min, les débits
décroissent car il y a un changement de direction et
ensuite la présence d’un obstacle. La coupure repérée
sur la carte est due au phénomène de masquage par un
véhicule inséré entre l’émetteur et le récepteur.
Ensuite, sur la N118 (en vert), nous observons aussi
des coupures lors des changements de direction
(sortie vers la D186) à 6,7min et dans un virage (sur la
D988) à 7,6min.
Dans la ville d’Orsay (en bleu), nous sommes dans
une zone urbaine avec une circulation dense, à faibles
vitesse et distance de séparation. Il y a des rues
étroites, des immeubles et des changements fréquents
de rues. En conséquence, les coupures sont très
fréquentes, et le débit est nettement plus faible que sur
les trajets précédents, néanmoins il augmente quand
les véhicules se trouvent à faible distance. Ces
coupures sont dues aux phénomènes de propagations
multitrajets et au changement fréquent de direction.
Supélec-Entreé
S u p é le c - e n t r é eN118
N 118
Orsay
O r s a y vville
ille
NN118-Orsay
1 1 8 v e rs O rs a y
20
Université
U n iv e r s it éd’Orsay
d 'O rs a y
IU TIUT-Maison
- M a is o n d e de
l' in g é n ie u r - S u p é le c
Global Throughput Tx (Mb/s)
18
l’ingénieur-Supélec
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
D u r é e d u p a r c o u r s ( m in )
Sur le domaine universitaire d’Orsay (couleur cyan),
les pertes de liaison sont dues à un grand virage sur la
route du domaine et un changement de direction. De
même pour le trajet autour de l’IUT d’Orsay et la
Maison de l’ingénieur (couleur orange).
Les figures 14 et 16 présentent les résultats d’un autre
parcours, comprenant un aller et retour de Supélec à
Vélizy Villacoubray par la N118. Globalement à
l’aller, le débit en émission est meilleur que sur le
parcours précédent, mais il baisse dans la zone de
Vélizy. Au retour sur la N118, nous avons laissé des
voitures s’insérer entre l’émetteur et récepteur. La
seule coupure observée est due à la présence d’un
poids lourd (figure 15). Sur l’image de gauche, le
récepteur et l’émetteur sont sur la voie de
dépassement et il y a une voiture blanche insérée entre
les deux. Le récepteur est au niveau du poids lourd et
sur la figure 16, c’est à 15,6min. Sur l’image de
droite, l’émetteur commence le dépassement à
l’instant 16,2min.
L’analyse des résultats obtenus pour les 2 parcours
montre que la qualité de la liaison de la
communication V2V est très variable selon
l’environnement routier de propagation.
Global Throughput Tx (Mb/s)
Figure 13 – Débit utile en émission pour une liaison V2V sur le trajet Plateau de Moulon - N118 - Orsay.
Aller
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Retour
Photo 1 Photo 2
0
1
2
3
4
5
6
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Durée du parcours (min)
Figure 16 – Débit utile en transmission du 2nd
trajet
IV. CONCLUSION
Dans ce papier, nous avons étudié l’impact de
l’intégration locale d'une antenne à 5,8GHz sur son
rayonnement, puis l'effet d'une structure automobile
dans son ensemble. La simulation permet d'évaluer
avec succès les effets mesurés. Ensuite, nous avons
réalisé une étude fonctionnelle d’une liaison V2V,
basée sur le protocole 802.11a, en remplacement du
protocole 802.11p en cours de développement. Nous
avons noté que sur route en zone dégagée, la liaison
est assurée avec un débit élevé. En revanche, en ville
et sur routes avec des changements de directions ou
un trafic plus dense, il y a de nombreuses coupures.
Nos travaux futurs vont consister à évaluer la
sélectivité en fréquence du canal lors de tels essais,
puis à tester une liaison suivant le protocole 802.11p.
REFERENCES
[1]
[2]
[3]
[4]
Figure 14 – Parcours de Gif sur Yvette à Vélizy
Villacoubray par la N118.
[5]
[6]
Figure 15 – Photo du lieu de coupure de la liaison
http://ec.europa.eu/transport/roadsafety_library/
Care/doc/historical_evol.pdf
http://www.sevecom.org/
M. Ibambe Gatsinzi, F. Jouvie, X. Bunlon, A.
Azoulay, Study of a 5.8 GHz frequency band patch
antenna integrated in vehicle for automotive DSRC
applications, ICEAA07, Turin
M. Ibambe Gatsinzi, X. Bunlon, A. Azoulay,
Simulation of a 5.8 GHz antenna integrated into a
vehicle for automotive DSRC applications, EMC
Workshop
Europe,
Paris
2007
D. N. Cottingham, I. J. Wassel, R.K. Harle,
Performance of IEEE802.11a in Vehicular contexts,
IEEE 65th Vehicular Technology Conference, 2007
S. Kaul, K. Ramachandran, P. Shankar, S. Oh,M.
Gruteser, L. Seskar, T. Nadeem, Effect of antenna
placement and diversity on vehicular network
communications, SECON '07.