Conception et réalisation d'un nouveau transpondeur DSRC à faible consommation

par Bruno Franciscatto

Thèse de doctorat en Optique et radiofréquence

Sous la direction de Tân-Phu Vuong et de Jean-Marc Duchamp.

Le président du jury était Ke Wu.

Le jury était composé de Tân-Phu Vuong, Jean-Marc Duchamp, Christian Vollaire, Christian Defay.

Les rapporteurs étaient Laurent Cirio, Mohamed Himdi.


  • Résumé

    Afin d'augmenter l'efficacité et la sécurité du trafic routier, de nouveaux concepts et technologies ont été développés depuis 1992 en Europe pour les applications RTTT (Road Traffic & Transport Telematics). Ces applications utilisent les équipements DSRC qui supportent les transmissions à courte distance à 5.8GHz. Vues la fiabilité et le succès de cette technologie, l'utilisation de ces équipements est ensuite étendue aux ETC (Electronic Toll Collection) ou Télépéage et aussi dans une multitude d'autres domaines d'application comme la gestion des flottes, le transport public et la gestion des parkings. Le système DSRC se compose d'un émetteur/récepteur (lecteur) et des transpondeurs (badges). En toute logique, l'approche industrielle oriente les développements vers la technologie de transpondeur semi passif qui, pour réémettre un signal utilise le signal transmis par l'émetteur–récepteur, effectue une modulation de phase d'une sous porteuse fréquentielle encodant ainsi les données à transmettre. Cette conception évite l'utilisation des oscillateurs locaux, comme dans les transpondeurs actifs, pour générer l'onde Radio Fréquence (RF). Ceci permet de produire des transpondeurs relativement à faible coût et de petite taille. Cependant ce concept nécessite quand même une batterie au Lithium pour assurer le fonctionnement du transpondeur pour une durée de 4 à 6 ans et ce malgré les progrès des technologies de circuits intégrés à faible consommation. Au fur et à mesure de l'expansion de ces équipements, il s'avère qu'avec les années la quantité des batteries au lithium à détruire deviendrait un problème crucial pour l'environnement. Aujourd'hui, la conception d'un transpondeur DSRC complètement autonome n'est pas faisable, car la quantité d'énergie nécessaire s'avère encore élevée (mode actif 8 mA/3.6 V). Néanmoins, la réduction de la consommation électrique du transpondeur, permet au moins doubler la durée de vie de la batterie et pourrait être un bon point de départ pour améliorer la protection de l'environnement.Dans cette thèse, nous proposons un nouveau transpondeur DSRC avec un diagramme d'état original qui réduit considérablement la consommation énergétique. Après validation d'un nouvel état de fonctionnement en mode très faible consommation d'énergie, nous avons étudié la possibilité de recharger la batterie du transpondeur à travers de la récupération d'énergie sans fil. Le bilan de liaison énergétique DSRC a été réalisé afin d'estimer la quantité d'énergie disponible quand une voiture avec un transpondeur passe à sous un système de péage. Toutefois, le bilan énergétique à 5.8 GHz présente une faible densité d'énergie RF, puisque la voiture ne reste pas assez sur le lobe de l'antenne DSRC afin de procéder à la récupération d'énergie. Par conséquent, nous avons alors exploré une autre fréquence ISM, le 2.45 GHz dans laquelle la présence d'émetteurs est bien plus grande. Dans le chapitre de récupération d'énergie sans fil nous présentons la conception et l'optimisation d'un nouveau récupérateur d'énergie RF. Après avoir démontré qu'une charge RF-DC optimale est nécessaire afin d'atteindre une haute efficacité de conversion RF-DC. Plusieurs redresseurs et rectennas ont été conçus pour valider les études numériques. Parmi, les résultats présentés dans cette thèse les rendement de conversion obtenus sont à l'état de l'art de la récupération d'énergie sans fil pour une très faible densité de puissance disponible.

  • Titre traduit

    Design and implementation of a new low-power consumption DSRC transponder


  • Résumé

    To increase the efficiency and safety of the road traffic, new concepts and technologies have been developed in Europe since 1992 for RTTT applications (Road Traffic & Transport Telematics). These applications use the Dedicated Short Range Communications (DSRC) devices at 5.8 GHz (ISM band). In view of the reliability and success of this technology, the use of such equipment is thus extended to the EFC (Electronic Fee Collection) or e-toll and also in many other application areas such as fleet management, public transport and parking management. Due to the broad applications, these equipments are subject to various standards CEN/TC 278, CEN ENV (EN) 12253, ETSI, etc.... The DSRC system consists in a transceiver (reader) and transponders (tags). Industrial approaches are oriented to semi-passive transponder technology, which uses the same signal sent by the reader to retransmit, performing a frequency shift and encoding data to be transmitted. This design avoids the use of the local oscillators to generate the RF wave, as in active transponders, and save electrical energy of batteries. This allows the development of relatively low cost and small size transponders. Despite advances in integrated low-power circuits technology, this concept still requires a lithium battery to operate the transponder for a period of 4-6 years. However, with the expansion of these facilities, it appears that over the years the amount of lithium to destroy has become a crucial problem for the environment. Nowadays designing a completely autonomous DSRC transponder is not feasible, since the amount of energy required is still high (8 mA/3.6 V active mode). Nevertheless, reducing the transponder electrical power consumption, as a solution to at least double the battery life, could be a good start point to improve environment protection.In this thesis we propose a new DSRC transponder with an original statechart that considerably reduces the power consumption. After validation of the new low-power consumption mode, we studied the possibility to recharge the battery of the transponder by means of Wireless Energy Harvesting. The DSRC Toll Collection RF link budget was carried out in order to estimate the amount of energy available when a car with a transponder passes through a toll system. However, RF link budget at 5.8 GHz presents a low power density, since the car does not stay enough on the DSRC antenna's field to proceed to energy harvesting. Therefore we explored another ISM frequency, the 2.45 GHz. Thus the Wireless Energy Harvesting chapter aims to further the state of the art through the design and optimization of a novel RF harvesting board design. We demonstrated that an optimum RF-DC load is required in order to achieve high RF-DC conversion efficiency. Several rectifiers and rectennas were prototyped in order to validate the numerical studies. Finally, the results obtained in this thesis are in the forefront of the State-of-the-Art of Wireless Energy Harvesting for very low available power density.


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