Plateforme LocURa4IoT

Responsable : Adrien VAN DEN BOSSCHE

LocURa4IoT (Localisation and UWB-Based Ranging testbed for the Internet of Things) [1] est une plate- forme de type testbed dédiée à l’étude et à l’analyse des performances des réseaux et protocoles de Ranging [2] et de synchronisation fine [3]. Elle permet également d’adresser la problématique de la localisation des nœuds radio en environnement intérieur, principalement par la mesure du temps de vol radio comme méthode de mesure de distance [4]. Initialement conçue pour l’étude des réseaux reposant sur une couche physique Ultra-Wide Band (IEEE 802.15.4z), elle permet également, désormais, d’adresser la problématique de l’hétérogénéité des couches physiques, en implémentant trois couches physiques sur l’ensemble des nœuds : UWB, Bluetooth Low Energy (BLE) et LoRa.

Comme toutes les plateformes de type testbed réseau, la première cible visée est la communauté des chercheurs et industriels qui souhaitent benchmarker les performances des technologies de réseau sans fil, ainsi que des protocoles et algorithmes associés. De par sa structure et son déploiement dans différents lieux d’expérimentation, LocURa4IoT permet également de viser des études d’usages qui intéressent au-delà de la communauté Réseaux et Protocoles et ouvrent la porte à des initiatives pluridisciplinaires. C’est ainsi, par exemple, qu’en 2019, LocURa4IoT a permis d’étudier la problématique de la localisation sémantique en collaboration avec des chercheurs en IHM (IRIT/ELIPSE) et des linguistes (LERASS) [5] dans le cadre du projet PEPS/CNRS IDEALI1-DSP.

Positionnement de la plateforme par rapport aux plateformes existantes (locales et nationales)

À notre connaissance, la plateforme LocURa4IoT est assez unique. Si les plateformes testbed sont nombreuses en France et en Europe (FIT/IoT-lab, SmartSantander, Log-a-Tec etc.), rares sont celles qui permettent d’aborder la thématique de la localisation indoor par temps de vol radio, du point de vue Réseaux et Protocoles. Cela s’explique d’une part car les plateformes existantes reposent pour la plupart sur la technologie IEEE 802.5.4/Zigbee (comme FIT/IoT-lab) ; d’autre part, les équipes qui travaillent sur UWB ont généralement une approche traitement du signal. Cette affirmation a d’ailleurs été récemment confirmée par l’INRIA qui nous a proposé de rattacher la plateforme LocURa4IoT au réseau FIT/IoT-lab, face à l’originalité de disposer sur LocURa4IoT de la technologie UWB. La plateforme est candidate à ce rattachement et au rapprochement avec OSIRIM, dans le cadre du projet SILECS, également en demande de labellisation à l’IRIT.

Description technique, organisationnelle, taux d’utilisation

La plateforme LocURa4IoT a été créée en 2016 (sur la base d’un premier testbed “OpenWiNo” déployé en 2014). Elle est composée aujourd’hui d’une cinquantaine de nœuds (50 systèmes embarqués) dotés d’un MCU, de plusieurs interfaces réseau sans fil (UWB, BLE et LoRa) et d’un débogueur local. Lors d’une expérience, les nœuds exécutent un scénario faisant appel à une ou plusieurs interfaces radio. Un serveur central gère la reprogrammation, le démarrage et l’arrêt, et les fonctions de débogage classiques en s’appuyant sur un réseau de supervision. L’existence de ce réseau filaire permet la surveillance des expérimentations sans perturbation du médium sans fil. Les consoles des nœuds remontent sur un bus MQTT habilement configuré pour isoler ou rassembler les consoles des nœuds participant à l’expérience dont le déroulement est piloté par un serveur central. Un IDE en ligne simplifie l’utilisation à distance de la plateforme.

Pour adresser la problématique de la localisation des nœuds sans fil, tous les nœuds ont une position connue au centimètre près (par mesures laser). Si la majorité des nœuds sont fixes, quelques uns sont mobiles (car placés sur des rails de 2m et 7m) et pilotables dans l’expérience.

La plateforme LocURa4IoT est déployée dans un environnement indoor sur le campus de l’IUT de Blagnac. Trois déploiements sont opérationnels, pour trois environnements complémentaires : une zone de bureaux (1ier étage du bâtiment C de l’IUT, 300m²), une zone de type appartement (maison intelligente, 120m²) et une chambre anéchoïque (20m²). L’environnement de type bureau permet des expériences dans un environnement simple et stable, aux bonnes propriétés de répétabilité (notamment de nuit, sans activité humaine et portes fermées) ; l’environnement Maison Intelligente permet un environnement plus proche d’une situation écologique, avec de fortes interactions humaines possibles [5] ; la chambre anéchoïque permet d’être totalement isolé de l’extérieur, sur le plan électromagnétique. Les deux premiers environnements offrent une grande diversité de type de murs et cloisons (brique, plâtre, métal, bois…), un critère important pour les expériences sur la localisation indoor, où la non ligne de vue (NLOS) est un enjeu important.

Actuellement, la plateforme est fortement utilisée par les chercheurs de l’équipe RMESS (6 chercheurs). Des collaborations sont également en cours sur la partie IHM (localisation sémantique, adaptation au contexte) avec l’équipe ELIPSE (2 chercheurs). Au delà de l’IRIT, des collaborations sont en cours avec l’équipe S4M du LAAS et le laboratoire FEMTO (utilisation distante récurrente) de Montbéliard. Son utilisation varie en fonction des besoins des équipes, une expérience pouvant durer plusieurs heures, voire plusieurs journées. Nous considérons qu’elle est utilisée aujourd’hui à 15-20% de ses capacités.

Références
[1] Adrien Van Den Bossche, Rejane Dalce, Nicolas Gonzalez, Thierry Val. LocURa: A New Localisation and UWB- Based Ranging Testbed for the Internet of Things. IEEE International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation (IPIN 2018), Nantes, France, 24/09/2018-27/09/2018, IEEExplore digital library, septembre 2018.

[2] François Despaux Rossi, Katia Jaffres-Runser, Adrien van den Bossche, Thierry Val. Accurate and Platform- agnostic Time-of-flight Estimation in Ultra-Wide Band. IEEE International Conference on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC 2016), Valencia, Spain, 04/09/16-07/09/16, IEEExplore digital library, septembre 2016

[3] Oana Andreea Hotescu, Katia Jaffres-Runser, Adrien van den Bossche, Thierry Val. Synchronizing Tiny Sensors with SISP: a Convergence Study. ACM International Conference on Modeling, Analysis and Simulation of Wireless and Mobile Systems (MSWIM 2017), Miami Beach, USA, 21/11/2017-25/11/2017, ACM, novembre 2017

[4] François Despaux, Adrien Van den Bossche, Katia Jaffres-Runser, Thierry Val. N-TWR: An Accurate Time-of- flight-based N-ary Ranging Protocol for Ultra-Wide Band. Ad Hoc Networks Journal, Elsevier, Vol. in Press N. doi.org/10.1016/j.adhoc.2018.0, juillet 2018

[5] Réjane Dalcé, Antonio Serpa, Thierry Val, Frédéric Vella, Adrien van den Bossche, Nadine Vigouroux, Vidéo de démonstration du projet IDEALI1-DSP. Vidéo en ligne.