Brevet FR3010572A1 — publié le 20150313

Dispositif COBIDIC pour les COmmunications mobiles BI-vecteur en Diffusion et réseau Cellulaire DOMAINE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention se situe dans le domaine des communications sans fil avec des mobiles, adossées à une ou des infrastructures terrestres fixes. Elle se rapporte plus particulièrement à des communications dans une couverture en ruban le long d'un axe de transport tel que route, autoroute, voie ferrée, voie fluviale ou canai Ces communications sont destinées à supporter les flux bi-directionnels de données entre les serveurs hébergés en infrastructure et les applications embarquées à bord des mobiles, notamment sur le smartphone du conducteur. Ces applications sont multiples : depuis des applications critiques relevant de la sûreté du trafic, de la sécurité des personnes et marchandises transportées, des applications logistiques pour la maintenance des véhicules et le confort des voyageurs, jusqu'à des applications relevant de l'information et du divertissement des passagers (« infotainment »). Les applications critiques imposent des flux de données symétriques mais restreints, à transmettre en temps réel, à l'échelle humaine. La plupart des autres applications engendrent des flux plus importants dans le sens descendant (infrastructure vers véhicule) que dans le sens montant (véhicule vers infrastructure). Les moyens de transmission sans fil impliqués représentent autant de vecteurs pour diriger et acheminer les flux. La présente invention a pour objet de réaliser l'ensemble de ces communications en 25 réutilisant efficacement des infrastructures existantes et en associant pour ce faire au moins un vecteur d'usage généraliste de type réseau cellulaire et un vecteur dédié au transport du type radiodiffusion routière ou équivalente. ETAT DE L'ART ANTERIEUR 30 Au-delà des programmes européens PROMETHEUS et DRIVE (1994), les Systèmes de Transport Intelligents (STI ou ITS) ont entériné peu à peu le principe de l'usage combiné de plusieurs vecteurs de transmission. Le Programme français ARCOS 2004, premier transversal du cadre ministériel PREDIT, a validé la combinaison d'un réseau radio ad-hoc, du système de boucles de comptage SIREDO (modifié), et d'un 35 réseau cellulaire, sous un frontal d'aiguillage dénommé IMMACS Dl Le groupe de travail N°16 du TC204 de l'ISO s'est consacré à la normalisation de l'architecture CALM (Communication Access for Land Mobiles), qui intègre plus de 20 vecteurs, certains alternatifs, sous un double tronc commun : la suite IP V6 et une pile allégée de protocoles pour les services temps réel en local [21, dont WAVE constitue un 40 autre modèle à I'IEEE. Le brevet français GIWAC « Communications d'alerte généralisées entre des véhicules circulant sur route et un éventuel réseau d'information routier » [3] a été le premier à valoriser le potentiel de capacité numérique détenu par la radiodiffusion FM d'autoroute, diffusée en isofréquence au bout de la Bande 11, dans un canal au 45 standard RCA à 107.7 MHz. Ce brevet prévoyait un passage au numérique par superposition d'un train de données modulant la porteuse en étalement de spectre, au début à faible niveau pour ne pas perturber le service analogique nominal. En outre, une voie montante était proposée, en temps partagé au sein d'un même 3 0 105 72 format de trame en TDMA. Elle supposait évidemment l'introduction d'un petit émetteur VHF dans les véhicules, couplé à leur antenne de toit. La communication des laboratoires de recherche Coréenne à la Conférence IEEE vrc de 2006 [4] montre un exemple moderne de combinaison d'un vecteur de 5 diffusion T-DMB et d'un vecteur cellulaire, sous le protocole spécialisé TPEG. Enfin, le projet jumelé PROTON-PLATA de la coopération industrielle européenne DEUFRAKO a démontré la faisabilité d'une Radio Logicielle personnalisée séquentiellement en DMB, en WAVE (IEEE 802.11p) et en radio cellulaire LTE [5]. 10 Les éléments récents de cet état de l'Art font apparaître des incomplétudes et des inconvénients : - Les systèmes Coréen [4] et DEUFRAKO [5] délaissent le vecteur de diffusion analogique existant en bande 11 et laissent insatisfaits les besoins de transition qu'il suscite en France ; 15 - le système DEUFRAKO ne prévoit pas de réelle coopération, c'est-à-dire de simultanéité entre vecteurs ; - le système Coréen [4] se limite à la superposition du protocole TPEG et à sa seule exploitation ; - Le système GIWAC [3] se présente plutôt comme mono-vecteur, et entraîne des 20 adaptations significatives pour la création de la voie montante en pleine homogénéité. Le but de la présente invention est de remédier à ces incomplétudes et à ces inconvénients, tout en respectant la normalisation du tronc commun de l'architecture ITS issu de [1] et [2], et d'appliquer le principe de valorisation de la diffusion existante [3] tout en l'améliorant. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention a pour objet un dispositif de communications bi-vecteur avec des mobiles, qui combine la radiocommunication cellulaire et la radiodiffusion existante en bande Il, sous la double pile protocolaire normalisée : Internet (lP v6) d'une part, temps réel (CFxP, ou WSMP et évolution) d'autre part. La dite invention permet de réutiliser les deux vecteurs au mieux de leur capacité, avec pour la radiodiffusion très peu de modifications tant en infrastructure qu'à bord des mobiles. Les dites modifications consistent en l'insertion d'un ou plusieurs multiplexeurs-modulateurs au pied des émetteurs et un adaptateur sous forme de « boite noire » à l'intérieur du véhicule. Avantageusement, le dispositif comprend dans l'adaptateur un convertisseur ou un remodulateur reconstituant une bulle Wifi à très faible portée pour le smartphone du conducteur. De cette façon, le dispositif reste complètement sans fil vu de l'utilisateur. Avantageusement, le dispositif intègre les dernières évolutions de la normalisation des protocoles des ITS : standards ISO-CALM et versions correspondantes à l'ETS1. Selon certaines caractéristiques de l'invention, le dispositif remplace le format analogique de diffusion actuelle par une forme d'onde à forte densité numérique, de 45 type multi-porteuses OFDM modulée en MAQ-n, où n est choisi pour le meilleur compromis débit à portée. Avantageusement, le dispositif peut être déployé transitoirement dans un canal voisin du canal réservé à 107.7 MHz, pour assurer le biseau de cohabitation avec la radiodiffusion analogique. 50 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS ANNEXES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés où - la figure 1 est une représentation schématique du dispositif selon l'invention, illustrant l'irrigation des mobiles d'un axe de transport par les 2 vecteurs et le raccordement aux centres en infrastructure par les réseaux de transit existants ; - la figure 2 est une représentation fonctionnelle du dispositif shématisé par la figure 1, où on fait apparaître le rôle du smartphone du conducteur ; - la figure 3 présente un mode de réalisation concrète des équipements spécifiques du dispositif. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, le dispositif conforme à l'invention comprend 2 vecteurs de 15 transmission existants, ainsi que leur réseaux de transit respectifs : - un vecteur de radiodiffusion analogique en bande II (88-108 MHz), pour la voix selon le format FM dit RCA (G+D, G-D et fréquence pilote) et quelques données RDS superposées sur une sous-porteuse. Ce vecteur, qui exploite un canal de 450 kHz dédié à la sûreté du trafic, a entraîné la création de sites d'émission de 20 bord de voie répartis à quelques km de récurrence. En France, le canal dédié est à 107.7 MHz et la récurrence est en moyenne de 7 km (liens en rouge sur la figure 1). La disponibilité est bonne dans la couverture mais la capacité du canal n'est actuellement pas bien mise à profit par le format analogique et la réactivité des services de sûreté du trafic doit être améliorée. 25 - un réseau de radiocommunication cellulaire 3G+, évolutif vers LTE-4G et au delà, déployé et exploité par un Opérateur institutionnel ou concurrentiel, accessible aux portables et smartphones des usagers (liens en bleu sur la figure 1). La taxation, la disponibilité et l'absence de priorité sur ces réseaux ne sont et ne seront pas forcément adaptées aux besoins des services de sûreté de la route. 30 Le dispositif COBIDIC permet d'associer ces deux types de vecteurs et de les consolider mutuellement tout en réutilisant chacun dans son adéquation optimale. Le vecteur de radiocommunication cellulaire sera utilisé tel quel pour les échanges à faible débit et les retours d'interactivité de la radiodiffusion modifiée. Tel que représenté sur la figure 2, le dispositif comprend deux blocs symétriques (à 35 fond grisé) qui implémentent des fonctions de routeurs étendues suivant les aboutissements actuels des normes ITS européens (ETSI et ébauche de CALM). En particulier le routage GEONET [6] et la facilité de Sélection de Réseau (Network Selector) [7] de I'ETSI. En particulier, le bloc embarqué peut être directement inclus dans le smartphone du conducteur, qui dispose déjà de l'interface Wifi. 40 Dans le mode de réalisation de la figure 3, les équipements insérés dans la chaîne du vecteur de diffusion pour sa numérisation sont les blocs à fond coloré, en vert du côté infrastructure, en jaune du côté embarqué. - L'équipement en vert peut être simple pour un réseau globalisé ou multiple pour 45 un réseau à partition régionale. En cas de multiplicité, une bonne réutilisation géographique de la ressource est rendue possible. L'adjonction récurrente de routeurs ITS à ces équipements au pied des émetteurs se justifie puisque le réseau de transit est déjà numérique (à faisceaux fibrés ou hertziens). - L'équipement en jaune constitue la « CODIBIC box » qu'il faut placer dans l'habitacle et connecter au cable de l'antenne existante. A terme, cette boite pourrait n'avoir d'autre connexion que son alimentation sur la batterie du véhicule. Ce sont les équipements en vert et en jaune qui permettent de substituer une forme 5 d'onde à haute densité numérique dans le canal de 450 kHz original. Le multiplexeur gère les priorités des services. La forme d'onde OFDM, notamment le nombre de porteuses et l'ordre n de la modulation MAQ sont adaptés à la relativement faible largeur de canal : indicativement une dizaine de porteuses et n d'au moins 64, avec une latitude sur ces paramètres d'au moins un afcteur 2 svers le haut et vers le bas. 10 Un débit agrégé résultant de 1,5 à 2 Mb/s nets est attendu pour la diffusion numérique. La linéarité des chaînes d'émission actuelles est un atout pour une réutilisation en multi-porteuses. Dans le véhicule, le signal diffusé est reçu en bande II puis converti en bande ISM 2 (2.4-2.483 GHz), avec une éventuelle remodulation Wifi (chip-set au standard IEEE 15 802.11g-n), à faible puissance pour assurer le confinement dans l'habitacle. Au stade de la validation opérationnelle, le routeur embarqué peut rester physiquement séparé du smartphone et les équipements en vert et en jaune peuvent être parfaitement réalisés à partir de FPGA, et être de ce fait largement paramétrables. 20 APPLICATION INDUSTRIELLE ET EVOLUTION Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné aux flottes de véhicules de sécurité civile (pompiers, ambulances, forces de l'ordre, DIR), aux flotilles de service du concessionnaire et aux véhicules de transports collectifs (taxis, bus, autocars). 25 Dès qu'il aura été validé à ce stade, il pourra être étendu au marché du Grand public, moyennant une industrialisation de l'électronique en ASIC : circuit intégré monolithique réalisé sur mesures ; approche SOC, déduite des structures définies en FPGA. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et 30 représentés ; d'autres formes d'onde pourront être substituées dans le canal de 450 kHz réservé. En particulier : - Une forme d'onde à étalement de spectre, améliorant celte du système GIWAC et restreinte à la seule diffusion, pour assurer la transition avec la radiodoffusion actuelle, en superpostion dans le même canal (107.7 MHz). Une forme d'onde 35 plus dense serait ensuite rétablie lors de l'extinction du service analogique originel. - Un passage au Wrfi ou Wifi5 (en bande 5 GHz) en compatibilité directe par multiplication et conversion de fréquence mais non pas remodulation. L'homme du métier saura apporter à ce dispositif toute variante conforme à son 40 esprit. Dans un futur plus ou moins proche, le remplacement du vecteur de radiodiffusion analogique par la radiodiffusion numérique qui s'imposera sur le marché, notamment en France, est parfaitement compatible avec l'architecture présentée. Ce remplacement entraînera un allègement, voire une suppression de la « CODIBIC box », si 45 toutes les fonctions ITS peuvent être regroupées dans les smartphones ou les terminaux mobiles qui leur succéderont. Le dispositif CODIBIC pourra temporairement assurer un fonctionnement correct à 3 vecteurs, avec cohabitation de l'ancien et du nouveau vecteur de radiodiffusion, pour assurer la transition. REVENDICATIONS1. Dispositif de communications sans fil avec des mobiles le long d'un axe de transport, qui comprend et combine un vecteur de radiocommunication cellulaire et un vecteur de radiodiffusion existante en bande II, sous la double pile protocolaire normalisée des Systèmes de Transport Intelligents (ITS selon ETSI comme ISO), caractérisé en ce qu'il réutilise les deux vecteurs au mieux de leurs facilités et capacités, avec pour la radiodiffusion très peu de modifications tant en infrastructure qu'à bord des mobiles. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit vecteur de radiodiffusion modifié réutilise en transparence le canal réservé pour la radiodiffusion analogique FM actuelle, en y substituant une forme d'onde à plus ou moins forte densité numérique, la radiodiffusion devenant de ce fait numérisée. 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que ledit vecteur de radiocommunication cellulaire est utilisé tel quel pour les services à faible débit et pour le retour d'interactivité dudit vecteur de radiodiffusion numérisée et en ce qu'il puisse évoluer de 3G+ à LTE 4G et au-delà, au rythme du marché ouvert des télécommunications et de ses terminaux portables. 4. Dispositif selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que lesdites modifications consistent en l'insertion d'un ou plusieurs multiplexeurs- modulateurs au pied des émetteurs et un adaptateur sous forme de « boite noire » compacte à l'intérieur du véhicule, permettant le raccordement local de smartphone en Wifi ou Wifi5. 5. Dispositif selon les revendications 1, 2 et 4, caractérisé en ce que la forme d'onde utilisée dans le canal réservé de 450 kHz soit multiporteuses en OFDM, modulée en MAQ-n, paramétrée à 10 porteuses et n=64, avec des variations possibles d'un facteur 2 sur ces paramètres vers le haut ou vers le bas. 35 6- Dispositif selon les revendications 1, 2 et 4, caractérisé en ce que la forme d'onde utilisée temporairement dans le canal réservé de 450 kHz soit en étalement de spectre, pour une superposition avec le service analogique existant, sans perturbation de celui-ci en période de transition. 40 7- Dispositif selon les revendications 1, 2, 4 à 6 caractérisé en ce que la réalisation des équipements spécifiques insérés fasse appel à la technologie de Radio Logicielle reconfigurable, à base de FPGA. 45 8- Dispositif selon les revendications 1, 2, 4 à 7, caractérisé en ce que l'industrialisation de masse des équipements spécifiques insérés utilise le passage en circuit monolithique dédié (ASIC) des fonctions validées préalablement en FPGA. 9- Dispositif selon les revendications 1, 2, 4 à 7, caractérisé en ce que la cohabitation soit assurée à 3 vecteurs avec l'ouverture de la radiodiffusion numérique en France (en DAB+, DMB ou dérivés), au moins durant la période de transition. 10- Site d'émission de radiodiffusion modifié, caractérisé en ce qu'il intègre l'équipement additif spécifique de pied d'émetteur dit « multiplexeur-modulateur » selon tout ou partie des revendications 4 à 8. 11-Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il intègre l'équipement additif spécifique dit « adaptateur » ou « boite noire » selon tout ou partie des revendications 4 à 8. REFERENCES (7) [1] Programme ARCOS : « Rapport final de synthèse du Thème 4 : Communications », Edition 0 du 10 décembre 2004 ; et présentation de IMMACS par Yves Robin-Jouan au Colloque Final ARCOS, sur les pistes de Satory, le 28 octobre 2004. [2] ISO IS 21217: « CALM Architecture » (draft 2012) et ETSI EN 302 665 v1.1.1 "Intelligent Transport Systems (ITS); Communications Architecture", à partir de septembre 2010. [3] Brevet GIWAC, dépôt France N°04291488.7, publication N°1486931, dépôt Europe le 15 décembre 2004: « Communications d'alerte généralisées entre des véhicules circulant sur route et un éventuel réseau d'information routier ». httpl/www.google.com/patents/EP1486931B19c1=fr [4] Shammo Cho (ETRI), Hyuckjae Lee (ICU) et al. in South Korea : « A Traveler Information Service Structure in Hybrid T-DMB and Cellular Communication Network », 2006 IEEE 63rd Vehicular Technology Conference, Melbourne, Australia. [5] N. Haziza, R. Knopp, J. Ehrlich et al. « Multi-technology vehicular cooperative system based on Software Defined Radio (SDR) », Eurecom 2012, some results of the PROTON-PLATA project (ANR-08-VTT-010-01). [6] ETSI EN 302 931 V1.0.0 (2010-12), about GEONET : « Systèmes de Transport Intelligents ; Communications de Véhicule à Véhicule ; définition de la zone géographique » 171 ETSI TS 102 690 V1.1.9 (2012-09), about Network Selector : « Machine-to-Machine communications (M2M); Functional architecture ».GLOSSAIRE : ASIC : Application Specific Integrated Circuit Bande Il : 88 à 108 MHz en VHF BS : Base Station CALM : Communication Access for Land Mobiles (ISO) CFxP : CALM Fast Protocol for layer x COBIDIC : COmmunications mobiles BI-vecteur en Diffusion et réseau Cellulaire, cible du présent brevet DAB : Digital Audio Broadcast DEUFRAKO Deutsch-Franzi5sische Kooperation (coopération industrielle sous l'égide des Ministères respectifs) DMB : Digital Multimedia Broadcast (T- Terrestrial-) DIR : Direction Interdépartementale des Routes Eth : Ethemet ETSI : European Telecom Standards Institute FM Frequency Modulation FPGA : Field-Programmable Gate Array GIWAC : Generalized Infrastructure-to-Vehicle and Vehicle-to-Vehicle Alert Com's IMMACS : Inter-vehicie Multi-vector Mufti-Application Com's System (ARCOS) IP (v6) : Internet Protocol (version 6) ISM : Industrial, Scientific, Medical (bande de fréquences à tolérance réglementaire) 1S0 : International Standards Organization ITS : Intelligent Transport Systems ; LTE : Long Terni Evolution (Cellulaire 4G) MAQ(-n) : Modulation d'Amplitude en Quadrature (-n : ordre n) OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplex RCA : Radio Corporation of America ; en stéréo G = Gauche et D = Droit RDS : Radio Data System SIREDO : Système Informatisé de REcueil de DOnnées (à base de boucles magnétiques noyées dans le revêtement de chaussée) SDR : Software Defined Radio SOC : System On Chip TC : Technical Committee (ISO) TDMA : Time Division Multiple Access TPEG : Transport Protocol Experts Group VHF : Very High Frequencies (bande 30 - 300 MHz) Wifi(5) : Wireless fidelity (5 GHz), forum(s) associés aux standards IEEE 802.11x WAVE : Wireless Access in Vehicle Environment, filière de standards IEEE 1609.y WG : Working Group WSMP : Wireless Simple Messaging Protocol (IEEE/VVAVE, devenant ETSI).