Contribution à l’étude de modules radio ultra faible consommation pour réseaux de capteurs en gamme millimétrique

Millimeter wave low power consumption radio module for wireless sensor networks

• Auteur / Autrice : Ling Jin
• Direction : Nathalie Haese-Rolland, Paul-Alain Rolland
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microondes et microtechnologies
• Date : Soutenance le 19/05/2010
• Etablissement(s) : Lille 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

Oscillateurs à microondes

Générateurs d'impulsions

Circuits intégrés pour microondes

Ondes millimétriques

Communication ultra large bande

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

Module monopuce (MMIC)

Résumé

L’objectif de ces travaux était d’étudier la faisabilité d’un module radio ultra large bande en gamme millimétrique destiné à des applications de réseaux de capteurs ultra faible consommation pour des applications domotiques, industrielles ou environnementales. Aujourd'hui, l'usage du canal 60 GHz radio est attrayante pour les applications de réseaux de capteurs car elle bénéficie d'une ressource spectrale large (7GHz entre 57GHz et 64GHz), d’une miniaturisation des modules radio, de l'interférence limitée avec les autres systèmes de communication. Après avoir comparé plusieurs technologies de couche physique nous avons opté pour un module radio en technique impulsionnelle ultra large bande transposée en gamme millimétrique autour de 60GHz, qui présente une faible consommation d'énergie, une faible complexité de l'architecture radio, une faible sensibilité à la non-linéarité de l'émetteur, une robustesse aux effets de propagation multiple et une résolution temporelle élevée pour des applications de localisation. Nous avons ensuite montré que pour des réseaux de moyenne densité et à faible débit numérique les approches S-MAC et Zigbee sont prometteuses demandant à être encore améliorées dans la mesure où il n’existe pas à ce jour de normes établies pour les liaisons radio entre nœuds de réseau de capteurs. De plus, afin de ne pas complexifier l’architecture globale du module radio et de diminuer la consommation nous avons choisi une architecture ULB transposée en gamme millimétrique avec une modulation de type OOK et une solution de démodulation basée sur la détection non cohérente de l'énergie Pour valider le principe, nous avons conçu deux circuits utilisant la technologie AsGa 0.1um pHEMT de chez OMMIC. L’un est un émetteur qui fonctionne à 30GHz et l’autre fonctionne à 60GHz. Dans la dernière partie, nous présentons la conception de l’émetteur du nœud de capteur en technologie CMOS 65nm SOI composé d’un oscillateur à 30 GHz contrôlé par un générateur d’impulsion sub nanoseconde, d’un doubleur de fréquence et d’un amplificateur dont les alimentations sont déclenchées par un autre générateur d’impulsion. La synchronisation, la détermination du seuil et la démodulation des données sont implémentées sous un FPGA afin de les valider et de déterminer la consommation d’énergie.

He objective of this work was to study an ultra wideband (UWB) millimeter-wave module with low power consumption for wireless sensor networks (WSNs). WSNs provide distributed information collection and transmission which are useful for many industrial or environmental applications. Nowadays the use of 60GHz radio channel is attractive for WSNs applications since it benefits of a wide spectral resource (7 GHz allocated between 57GHz and 64GHz), a possibility for the miniaturization of the radio modules, limited interference with other communicating systems, as well as access to worldwide allocated non regulatory frequency bands. After comparing several physical layer technologies we chosed an impulse radio millimeter-wave UWB architecture transposed to 60GHz, the advantages of which are low power consumption, low complexity architecture, low sensitivity to the nonlinearity of the transmitter, robustness to multiple propagation effects and high time resolution for localization applications. We then showed that the approaches (S-MAC and Zigbee) are promising for the MAC layer of the WSNs,but need to be further improved since currently there are no established standards. In order to simplify the overall architecture of the radio module and reduce the power consumption, we have chosen an UWB millimeter-wave architecture using OOK modulation and noncoherent demodulation based on the energy detection. To validate the principle, we have designed two circuits using 0.1um GaAs pHEMT from the OMMIC. The first one is a 30 GHz transmitter and the second one is at 60GHz. In the end a new simple 60 GHz UWB transmitter using 65nm CMOS SOI technology was presented. This transmitter is composed of a negative differential resistance (NDR) oscillator driven by an UWB pulse generator in conjunction with a frequency doubler and a medium power amplifier (MPA), the supply of which is triggered by another UWB pulse generator. The synchronization, the determination of threshold and the demodulation of data are implemented on an FPGA to validate and determine the power consumption.