Brevet FR2896933A1 — publié le 20070803

Réseau de communication CDMA embarqué Le domaine de l'invention est celui des réseaux embarqués sur un porteur et plus particulièrement sur un aéronef pour faire communiquer entre-eux des équipements embarqués à bord de l'aéronef. Un aéronef, par exemple un aéronef civil de transport de passagers, embarque à son bord un nombre important d'équipements qu'il est nécessaire de piloter et auquel il faut permettre de cornmuniquer entre eux pour échanger des données avioniques. Les fonctions assurées par les équipements embarqués sur les aéronefs sont très diverses : elles couvrent aussi bien des besoins liés aux compartiments passagers comme la gestion de la ventilation, la gestion des capteurs de fumée, que des besoins liés au pilotage de l'aéronef comme la gestion des trains d'atterrissage, ou la gestion des écran de visualisation du cockpit. Pour relier entre eux les équipements contribuant à une même fonction, on a conçus des réseaux dits de première génération, possédant une architecture en forme d'étoile, comrne par exemple les réseaux répondant à la norme ARINC 429, dans laquelle un équipement est relié directement par une liaison dédiée aux équipements avec lesquels il doit communiquer. Par la suite, pour réduire la complexité du câblage dans les aéronefs, on a eu recours à une deuxième génération de réseaux, ce sont eux qui équipent les modèles les plus récents d'aéronefs. Leur architecture est bâtie sur un bus multiplexé auquel tous les équipements sont connectés et sur lequel transitent tous les messages échangés par tous les équipements. Les équipements possèdent la capacité d'écouter, sur le bus, un message qui leur est destiné. Sur de tels réseaux, il est souhaitable, idéalement, que les transmissions de données avioniques entre les équipements répondent aux contraintes suivantes : ségrégation des données, déterminisme et disponibilité des communications. La ségrégation concerne la faculté qu'a un équipement récepteur d'écouter des messages qui lui sont destinés, émis par un équipement émetteur particulier, et surtout de ne pas être perturbé par les communications voisines . Le déterminisme des communications est défini ici comme un délai borné et connu au delà duquel il est certain que les données seront reçues. Enfin, la disponibilité de la communication concerne la redondance des liaisons inter-équipements pour s'affranchir d'éventuelle panne. Sur les réseaux de deuxième génération, on emploie en général, la technologie TDMA (Time Division Multiple Access, en anglais), avec des signaux qui sont numériques. Chaque équipement, ou chaque massage occupe la totalité de la bande de fréquences qui est allouée pour les communications mais pendant une durée définie, très courte. Périodiquement, des échantillons issus d'un message sont intercalés avec des échantillons provenant d'autres messages, un tri se fait à la réception, offrant la possibilité de faire cohabiter simultanément plusieurs messages sur la même fréquence. Un mécanisme de rotation des messages et d'allocation des données à chacun d'eux, puis de transmission et d'extraction de ces données, assure une coexistence de communications :simultanées. La technologie TDMA est également très utilisée en radio-communications. Dans l'état de la technique, un réseau de deuxième génération, par exemple le standard ARINC 664 part 7 (aussi connu sous le nom AFDX) met en oeuvre une notion de lien virtuel protégé, répondant à 0a contrainte de ségrégation. Cette protection est introduite grâce à des lois temporE lles de transmission dans des éléments émetteurs du réseau et des mécanismes de surveillance de ces lois dans des noeuds intermédiaires du réseau. Les noeuds intermédiaires du réseau sont en fait des éléments de commutation qui permettent de résoudre la question du partage des liens de communications: Ces éléments de commutations jouent un rôle de tarpon et gèrent des files d'attente de messages, ils répondent à la normes Ethernet IEEE 802.3. La disponibilité recherchée est atteinte en assurant une redondance des liaisons qui nécessite par ailleurs une modification du format des messages échangés par rapport à celui de la norme IEEE 802.3. La présence de tels éléments de commutation implique que des précautions particulières sont prises pour prouver que les contraintes de déterminisme sont satisfaites. Les éléments de commutation, appelés aussi switches, présentent d'autres inconvénients : en premier lieu, ils induisent un retard aléatoire sur la transmission des messages pouvant être de l'ordre de quelques milli- secondes. Ceci est très pénalisant lorsque les données échangées servent à alimenter des boucles d'asservissement. Par ailleurs les switches sont des dispositifs complexes : ils sont, par voie de conséquence, chers, et relativement lourds. Enfin leur taux de panne, lié à leur niveau de complexité, est élevé ce qui est pénalisant pour la valeur du pararnètre MTBF de l'aéronef (Mean Time Between Failure, en anglais) pour lequel un niveau extrêmement élevé est recherché. La conception de réseaux embarqués sur des aéronefs ne requérant pas de tels éléments de commutation constitue donc un problème technique important. Il est connu deux technologies alternatives au TDMA perrnettant d'établir des communications entre des équipements, ou utilisateurs, connectés sur un même réseau de communication, filaire ou non : ce sont la technologie FDMA (Frequency Division Multiple Access, en anglais), et la technologie CDMA (Code Division Multiple Access, en anglais). Dans la technologie FDMA, un opérateur découpe une bande de fréquences (canal) allouée pour les communications, en canaux individuels. On alloue un de ces canaux individuels à chaque utilisateur, ou à chaque message échangé. En pratique, un message est utilisé pour modu er une fréquence porteuse faisant partie d'un des canaux individuels, ce sont ces différentes porteuses ainsi modulées qui sont transmises après juxtaposition. A la réception, des filtres sélectifs isolent les différentes porteuses cui sont ensuite démodulées. La technologie FDMA supporte des messages analogiques ou numériques. L'inconvénient majeur présenté par cette technologie est qu'elle requiert une mise en oeuvre d'un grand nombre d'éléments d'émissions et de réception spécifiques, par exemple plusieurs sources lasers émettant à des longueurs d'onde spécifiques ainsi que des photo-récepteurs associés dédiés à recevoir un signal particulier, dans le cas d'une transmission optique. Enfin, la technologie Code Division Multiple Access (accès multiple par répartition de codes en français) est une méthode d'accès multiple qui repose sur le principe de l'étalement de spectre. Cette technologie permet à plusieurs utilisateurs de partager une même bande de fréquence. La distinction entre les différents utilisateurs s'effectue grâce à un code qui est attribué de façon unique à chaque utilisateur, les codes sont orthogonaux entre eux. Pour accéder à un message délivré produit par un émetteur connu a priori, le message étant délivré au travers d'un signal, il suffit qu'un récepteur multiplie, ou plutôt réalise un produit scalaire, du signal avec le code associé à cet utilisateur. La technologie CDMA est employée dans les domaines des télécommunications et du positionnemE nt par satellite où elle est principalement utilisée pour véhiculer des messages au travers de signaux radioélectriques. Dans ces domaines, une mise en place de mécanismes de régulation de la puissance des émetteurs peut s'avérer nécessaire afin de résoudre des problèmes d'interférence entre des utilisateurs proches d'un émetteur et d'autres utilisateurs distants de l'émetteur. Ces mécanismes peuvent compliquer la mise en oeuvre d'un réseau CDMA. Un réseau de communications embarqué sur un porteur selon l'art io antérieur relie par un support physique matériel des équipements réunis sur le porteur, ces équipements ne sont pas très éloignés les uns des autres et par conséquent un tel réseau de communication ne requiert pas de mécanismes régulation de la puissance, par contre il comporte des switches qui sont pénalisant à plusieurs titres. 15 Le but de l'invention est de pallier cet inconvénient. Plus précisément l'invention a pour objet un réseau de communication CDMA embarqué sur un porteur, le réseau reliant une pluralité d'équipements embarqués sur le porteur et groupés en domaines, 20 les équipements comportant chacun au moins une partition, les partitions pouvant dialoguer entre-elles par des échanges de messages numériques véhiculés sur au moins un média partagé, le média partagé possédant une bande passante limitant le nombre de messages échangeables simultanément à NL;mite, caractérisé en ce qu' il comporte, 25 - des contrôleurs d'accès qui assurent une interface encre des partitions d'un équipements et un média partagé, chaque équipement comportant un contrôleur d'accès ; - des médias partagés qui sont des composants passifs et qui assurent une interface entre des contrôleurs d'accès des équipements d'un 30 domaine, Ainsi, le réseau CDMA embarqué sur aéronef, est compatible des architectures de réseaux avioniques de deuxième génération, il s'en distingue par une couche MAC (Media Access Control, en anglais) fondée sur les propriétés de multiplexages du CDMA, la couche MAC :servant 35 d'interface entre une partie logicielle contrôlant une liaison d'un noeud et un support physique. En particulier, il permet d'établir des communications entre des équipements de l'aéronef et ne comporte pas d'élémeits de commutation complexe qui sont chers, lourds et pénalisant pour la fiabilité de l'aéronef. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente schématiquement le principe d'un réseau CDMA; io la figure 2 représente une architecture de réseau CDMA embarqué sur un aéronef selon l'invention ; la figure 3 représente une architecture interne d'un contrôleur d'accès en réception d'un équipement connecté à un réseau CDMA selon l'invention ; 15 la figure 4 représente une architecture interne d'un coitrôleur d'accès en émission d'un équipement connecté à un réseau CDMA selon l'invention ; la figure 5 représente une architecture interne d'une passerelle inter-domaine. 20 D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références. La figure 1 illustre le principe d'un réseau CDMA. Un dispositif encodeur ECD(j) reçoit un message numérique, ou un flux de données 1 à 25 transmettre. Le message numérique 1, est encodé avec un code pseudo aléatoire PN(j) propre à l'émetteur. Un message encodé 10 est émis sur un media partagé, 100 en même temps que d'autres messages encodés 11, 12, émis simultanément par d'autres émetteurs ECD(i), ECD(k). i, j et k sont des indices qui identifient un équipement de façon biunivoque. 30 A la réception, un dispositif décodeur DCD(j) reçoit indistinctement tous les messages présent sur le media partagé, 100. Ce flux de données encodées est comparé au code pseudo aléatoire PN(j) d'un émetteur attendu. La comparaison est réalisée au moyen de séries de corrélation: On corrèle successivement le flux de données au code PN(j) en introduisant des 35 retards temporels entre le code et le flux de données. On procède ainsi à une synchronisation du flux de données et du code. La valeur maximale du résultat de ces corrélations successives correspond au message numérique, l résultant du décodage du message encodé 10. Dans la suite, un réseau de communication CDMA décrit un 5 réseau de communication intégrant une couche MAC utilisant la technologie CDMA. La figure 2 illustre une architecture de réseau embarqué sur un aéronef selon l'invention. Un équipement EQ(j) répondant par exemple aux normes IMA (Integrated Modular Avionics, en anglais) connecté à un média 1 o partagé 100 comporte des partitions Partition A, Partition B, Partition C, et un contrôleur d'accès assurant l'interface entre les partition et le média partagé. Avantageusement, le média partagé est un conducteur élec rique. Avantageusement, le média partagé est un conducteur optique. Le contrôleur d'accès comporte un module d'émission 15 EQCA_TR(j) et un module de réception EQCA_RC(j). Le module d'émission EQCA _TR(j) est alimenté par des messages provenant des partitions de l'équipement EQ(j) et délivre un flux de donnée encodées vers un média partagé, 100. Le module de réception EQCA_RC(j) collecte un flux de données encodées provenant d'un média partagé et adresse en direction 20 des partitions de l'équipement EQ(j) des messages numériques décodés provenant de partitions prédéfinies. Des équipements similaires à EQ(j) sont également connectés au média partagé. On a représenté par exemple un module d'émission EQCA_TR(k) sans représenter le module d'émission correspondant. Une unité remplaçable LRU1(TR), LRU2(TR) comportant par 25 exemple un unique module d'émission est également connecté au réseau. Le module émetteur EQCA_TR(j) comporte des blocs encodeurs ECD(A), ECD(B), ECD(C), un bloc de sélection d'encodeur ECD_SEEL(j) et un mélangeur MIX(j), le module récepteur EQCA_RC(j) comporte de:3 blocs décodeurs DCD(B), DCD(E), DCD(F) , DCD(G), DCD(H), un bloc d'allocation 30 de décodeur DCD_ALL(j) et un séparateur SEP(j). La figure 3 détaille l'architecture d'un module d'émission EQCA_TR(j). Les partitions d'un équipement EQ(j) répondant au normes IMA sont identifiés par une adresse IP (Internet Protocol, en anglais). Le module d'émission EQCA_TR(j) assure une fonction qui consiste à associer un code 35 PN à une adresse IP, à encoder les données avec le code pseudo-aléatoire choisi puis à transmettre les données encodées vers le media partage, 100. Une correspondance entre une adresse IP et un code pseudo aléatoire PN peut être configurée soit statiquement, soit dynamiquement. Lorsque une partition A émet des données, l'adresse IF de la partition A est reconnue et stockée temporairement dans une table de configuration IP/PN. Un code pseudo-aléatoire PN(A) est associé à l'adresse IP, puis est chargée dans un bloc d'émission ECD(A) identique à celui décrit sur la figure 1. Le bloc de sélection d'encodeur ECD_SEL(j) adresse les données à l'encodeur ECD(A) qui les encode avec le code pseudo-aléatoire io PN(A) et émet en direction d'un mélangeur MIX(j) du module d'émission EQCA_TR(j). Le mélangeur MIX(j) transmet enfin les données au média partagé, 100. De façon complémentaire, la figure 4 détaille l'architecture d'un module de réception EQCA_RC(j). Le module de réception EQCA,_RC(j) 15 assure une fonction qui consiste à acheminer des données présentes sur un média partagé, 100 jusqu'à des partitions de l'équipement EQIj), par l'intermédiaire d'un séparateur SEP(J), de blocs de réception, et d'un dispositif de gestion de flux STR_ALL(j). Chaque partition doit s'abonner à un flux issu d'une adresse IP. 20 Les adresses IP employées sont associées à une liste de codes pseudoaléatoires. Le module de réception EQCA_RC(j) contient autant de b ocs de réception DCD(A), DCD(B), DCD(C), que d'abonnements à des adresses IP, les blocs de réception sont identiques à celui décrit sur la figure 1, L'allocation des codes pseudo-aléatoires aux blocs de réception pE ut être 25 statique, dans ce cas on associe de façon permanente un bloc de réception à un code pseudo-aléatoire: L'allocation peut également être dynamique, dans ce cas, la correspondance entre les codes et les blocs de récep:ion est périodiquement examinée et au besoin modifiée afin de scruter des messages provenant d'un grand nombre de blocs d'émission sans être limité 30 par le nombre de blocs de réception. Les données provenant du média partagé 100, sont décodées par les blocs de réception DCD(E), DCD(F), DCD(G), puis stockées en file d'attente avant d'être traitées par une fonction de ré-assemblage IP du dispositif STR_ALL(j). Dans certaines architecture de réseau, on peut choisir de relier physiquement deux réseaux embarqués identiques à celui présenté sur la figure 2. La figure 5 détaille l'architecture d'une passerelle inter-domaine assurant une telle connexion. Un réseau embarqué fédère des équipements qui coopèrent ensemble : il constitue un domaine. Pour faire coopérer ensemble des équipements de deux domaines distincts, on relie les médias partagés SHM1, SHM2 des deux réseaux au moyen d'une passerelle inter-domaine PAS.On constitue ainsi un réseau CDMA embarqué qui cornporte au moins ~o deux médias partagés distincts et au moins une passerelle inter-domaine assurant une interface entre les deux médias partagés. Le rôle de cette passerelle est de faire transiter des informations aussi bien dans le sens média partagé SHM1 vers média partagé SHM2 que dans le sens inverse. Par soucis de clarté seule la fraction de la passerelle 15 assurant le transit de données du média SHM1 vers le média SHM2 est représentée sur la figure 5 car elle est strictement symétrique. Les données circulant sur le média SHM1 pénètrent dans la passerelle au travers d'un séparateur SEP_12 elles en sortent en empruntant un mélangeur MIX_12. 20 Lorsque les données pénètrent dans la passerelle PAS, elles sont d'abord décodées puis dirigées directement vers un encodeur associé qui les encode avec un code propre aux partitions réceptrices destinataires du message. L'architecture de la passerelle PAS permet de faire dialoguer entre-elle un nombre total de partitions Npartition qui est supérieur au nombre 25 maximum de messages échangeables simultanément :sur les médias partagés SHM1, SHM2. Le nombre maximum de messages échangeables simultanément sur un média partagé NLimite est défini à partir de la connaissance de la bande passante du média partagé. Avantageusement, le nombre total de partitions reliées entre-elles 30 par le réseau est supérieur à N'imite. REVENDICATIONS 1. Réseau de communication CDMA embarqué sur un porteur, le réseau reliant une pluralité d'équipements embarqués sur le porteur et groupés en domaines, les équipements comportant chacun au moi 1s une partition, les partitions pouvant dialoguer entre-elles par des échanges de messages numériques véhiculés sur au moins un média partagé, le média partagé possédant une bande passante limitant le nombre de messages échangeables simultanément à NL;mite, caractérisé en ce qu' il comporte, - des contrôleurs d'accès qui assurent une interface entre des partitions d'un ~o équipements et un média partagé, chaque équipement comportant un contrôleur d'accès ; - des médias partagés qui sont des composants passifs et qui assurent une interface entre des contrôleurs d'accès des équipements d'un domaine, 15 2. Réseau de communication CDMA selon la revendication 1 caractérisé en ce que le média partagé est un conducteur électrique. 3. Réseau de communication CDMA selon la revendication 1 caractérisé en ce que le média partagé est un conducteur optique. 4. Réseau de communication CDMA selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux médias partagés distincts et au moins une passerelle inter-domaine qui assure une interface entre les deux médias partagés. 25 5. Réseau de communication CDMA selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le nombre total de partitions reliée:; entre-elles par le réseau est supérieur à NL;mite• 20