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INTRODUCTION AUX RESEAUX SANS FIL Christophe DUGAS Directeur du Marketing Pages d‘histoire (p1/3) 1832: Le télégraphe démontré par l'américain Samuel Morse permet déjà de transmettre par câble des informations électriques codées sous forme de signaux courts et longs (alphabet Morse). 1836: Morse achève de concevoir ce télégraphe électromagnétique. Le 24 mai 1844, Morse envoya son premier message entre Washington (district de Columbia) et Baltimore (Maryland). Le 10 mars 1876: Alexander Graham Bell invente le téléphone qui permettra désormais de capter, transformer et conduire la voix humaine sous forme d'impulsions électriques. 1884: Heinrich Hertz , scientifique allemand, démontre l'existence des ondes radioélectriques. En 1888, Tesla conçut le premier système opérationnel de génération et de transmission de courant alternatif pour les réseaux d'électricité. 1890: Edouard Branly professeur à l'université catholique de Paris réalise un dispositif expérimental qui confirme les données de Hertz (récepteur). Dès 1892, le physicien Nicolas Tesla est persuadé que la transmission de signes intelligibles sans se servir de fil doit être possible. En 1894, c'est à l'aide de l'appareil de Branly que Lodge parvient à effectuer la première transmission radio Pages d‘histoire (p2/3) 1894: A la mort de Hertz , Guglielmo Marconi âgé de 20 ans se passionne pour l'électricité. Il ajoute deux innovations au système de Hertz et Branly (un système Morse et une antenne de réception). Il comprend que la hauteur de l'antenne permet une plus grande distance d'émission. 1897: Son système est breveté. La TSF (Télégraphie Sans Fil) est née. 1901: Le 10 Décembre, Marconi réussit la première transmission de signal par-dessus l'Océan Atlantique. 1904: Il faudra attendre l'invention de la diode par Fleming et les améliorations de Réginald Fessenden pour transmettre la voix et le son à distance. 1906: Première émission radiophonique. 1907: De Forest , ingénieur américain, perfectionne les lampes afin de transmettre et recevoir la voix humaine. 1916: Première diffusion publique d'images télévisées. 1927: Premières émissions de télévision publiques réalisées par la BBC: la radiodiffusion est née. 1930: En raison de leurs composants très encombrants, les récepteurs radio des années 1930 et 1940 étaient beaucoup plus lourds et massifs que les modèles commercialisés dans les années 1960. Pages d‘histoire (p3/3) En 1940, l'industrie électronique Américaine impose parallèlement à l'essor de la télévision deux découvertes majeures : la modulation de fréquence, synonyme de radio sans parasite et le transistor mise au point en 1948. 1953: Le premier récepteur mobile à transistor apparaît. La radio est présente dans 9 foyers sur 10. 1962: La station de Pleumeur Bodou assure la liaison satellite France -- États-Unis. Le satellite mondialise l'information. En 1980 et 1990, la radiotéléphonie cellulaire est inaugurée par la Suède. 1993: Le satellite permet la transmission de multiples chaînes de radio et télévision dans le monde entier.

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INTRODUCTION AUX RESEAUX SANS FIL

Christophe DUGASDirecteur du Marketing

Pages d‘histoire (p1/3)

• 1832: Le télégraphe démontré par l'américain Samuel Morse permet déjà de transmettre par câble des informations électriques codées sous forme de signaux courts et longs (alphabet Morse).

• 1836: Morse achève de concevoir ce télégraphe électromagnétique. • Le 24 mai 1844, Morse envoya son premier message entre Washington (district de Columbia) et

Baltimore (Maryland). • Le 10 mars 1876: Alexander Graham Bell invente le téléphone qui permettra désormais de capter,

transformer et conduire la voix humaine sous forme d'impulsions électriques. • 1884: Heinrich Hertz, scientifique allemand, démontre l'existence des ondes radioélectriques. • En 1888, Tesla conçut le premier système opérationnel de génération et de transmission de courant

alternatif pour les réseaux d'électricité. • 1890: Edouard Branly professeur à l'université catholique de Paris réalise un dispositif expérimental

qui confirme les données de Hertz (récepteur). • Dès 1892, le physicien Nicolas Tesla est persuadé que la transmission de signes intelligibles sans se

servir de fil doit être possible. • En 1894, c'est à l'aide de l'appareil de Branly que Lodge parvient à effectuer la première transmission

radio

Pages d‘histoire (p2/3)

• 1894: A la mort de Hertz, Guglielmo Marconi âgé de 20 ans se passionne pour l'électricité. Il ajoute deux innovations au système de Hertz et Branly (un système Morse et une antenne de réception). Il comprend que la hauteur de l'antenne permet une plus grande distance d'émission.

• 1897: Son système est breveté. La TSF (Télégraphie Sans Fil) est née. • 1901: Le 10 Décembre, Marconi réussit la première transmission de signal par-dessus l'Océan Atlantique.• 1904: Il faudra attendre l'invention de la diode par Fleming et les améliorations de Réginald Fessenden

pour transmettre la voix et le son à distance. • 1906: Première émission radiophonique. • 1907: De Forest, ingénieur américain, perfectionne les lampes afin de transmettre et recevoir la voix

humaine. • 1916: Première diffusion publique d'images télévisées. • 1927: Premières émissions de télévision publiques réalisées par la BBC: la radiodiffusion est née. • 1930: En raison de leurs composants très encombrants, les récepteurs radio des années 1930 et 1940

étaient beaucoup plus lourds et massifs que les modèles commercialisés dans les années 1960.

Pages d‘histoire (p3/3)

• En 1940, l'industrie électronique Américaine impose parallèlement à l'essor de la télévision deux découvertes majeures : la modulation de fréquence, synonyme de radio sans parasite et le transistor mise au point en 1948.

• 1953: Le premier récepteur mobile à transistor apparaît. La radio est présente dans 9 foyers sur 10.

• 1962: La station de Pleumeur Bodou assure la liaison satellite France -- États-Unis. Le satellite mondialise l'information.

• En 1980 et 1990, la radiotéléphonie cellulaire est inaugurée par la Suède.

• 1993: Le satellite permet la transmission de multiples chaînes de radio et télévision dans le monde entier.

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Bases

• Propagation Ondes radio-électriques

• Différentes technologies– F(Fréquence d’émission, Débit de données, Portée radio)

• Infrastructures simples à installer vs câble

• Réglementation des transmissions radio– Par pays / fréquence, Puissance

– Par Applis: Militaire, ISM, Private Mobile Radio, …

• Sensibilité aux interférences– Protection des données - cryptographie

Spectre électromagnétique

• Ondes audio : Hertz (Hz) & kiloHertz (kHz)

• Ondes radio : MegaHertz (MHz)

• Micro-ondes : GigaHertz (GHz)

• Infra-rouge (IR)

• Lumière visible (longueur d'onde entre 400 et 700 nm)

• Ultraviolet (UV)

• Rayons X (longueur d'onde entre 1 et 100 nm)

• Rayons gamma (longueur d'onde inférieure à 1nm)

Régulation des Télécoms

• Autorités de régulation– ETSI (European Telecommunications Standards Institute)

– FCC (Federal Communications Commission) aux US

– MKK (Kensa-kentei Kyokai) au Japon

• Bandes ISM (Industrie, Scientifique, Médical) de plein droit

– USA : 902-928MHz, 2.400-2.4835GHz, 5.725-5.850GHz

– Europe : 433, 862-870MHz, 2.400-2.4835GHz, 5.725-5.850GHz

– Asie : 433MHz, 868MHz

• Bandes GSM– Europe : 890-915MHz

Transmission de donnéespar voie radio

• Ce qu’il faut définir– Quantité d’informations à transmettre

– Temps de réponse

– Traffic radio = nombre de communications par unité de temps

– Portée radio

• Quelles sont les contraintes ?– Energie (pile, secteur)

– Encombrement physique (taille des antennes, miniaturisation)

– Normes radio (autorités de régulations, recommandations)

– Coût

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Les acteurs

• Fabricants de semiconducteur– CSR, Chipcon, Xemics, RFMD, AD, TI, ZMD, Melexis, …

• Fournisseurs de solutions– Coronis Systems, OneRF, Adcon, Zensys, EnOcean, RF solutions

– Ember, Millenial Net, Dust, Helicomm, Sensicast, Figure8, Crossbow

• Equipementiers : à chacun sa stratégie– Eaton (ZigBee)

– Schneider Electric, Bosch, Siemens (Konnex)

– Legrand (propriétaire)

Applications �Technologies

Wifi, Wimax, UWBVidéo, Ethernet, Web

Bluetooth, Wifi, UWBImage fixe / compressée

Wavenis, Z-wave, ZigBee, UWB, Bluetooth

Télémesure, télécontrôle

DECT, BluetoothAudio

Catégories de réseaux sans filportée, débit, fréquence

Réseaux personnels sans fil WPAN - Wireless Personal Area Network

• Bluetooth (IEEE 802.15.1)• ZigBee (IEEE 802.15.4)• HomeRF (stop en Jan’03)

– Stoppé au profit de WiFi embarqué -> Centrino

• UWB (IEEE 802.15.3)• ETSI 300-220• Z-wave (Zensys)• Wavenis (Coronis)• etc…

Réseaux sans fil à faible portée, quelques dizaines de mètres, réseaux domestiques sans fil, réseaux de périphériq ues (PDA, tél cell, printers, PC, oreillettes, car kit), réseaux de capteurs, …

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Réseaux locaux sans fil WLAN - Wireless Local Area Network

• Wi-Fi (IEEE 802.11) – 2,4GHz

• HyperLAN2 (ETSI) – 5GHz

– Up to 54Mbps

– Portée max : 100m

Réseaux sans fil destiné à couvrir l’équivalent d’un réseau local d’entreprise

Réseaux métropolitains sans fil WMAN - Wireless Metropolitan Area Network

• WiMax (IEEE 802.16)

– 1 à 10Mbps

– Portée : 4 à 10km

– Exploitation par les opérateurs de télécom

Boucle Locale Radio (BLR) destinée à couvrir une vil le

Réseaux étendus sans fil WWAN - Wireless Wide Area Network

• GSM– Global System for Mobile Communication

• GPRS– General Packet Radio Service

• UMTS– Universal Mobile Telecommunication System

C’est le Réseau Cellulaire Mobile – technologie de n os mobiles !

Résumé (1/2) sur

• Création par Ericsson en 1994• IEEE 802.15.1• Création du Bluetooth SIG en 1998• cable replacement, 5Mu/sem• 2.402 - 2.480 GHz, 1Mbps, GFSK• FHSS, 79 canaux de 1MHz, 1600hps• Fonctionnement Master/Slaves (1/7)

Le nom « Bluetooth » (littéralement « dent bleue ») se r apporte au nom du roi danois Harald II (910-986), surnommé Hara ld II Blåtand(« à la dent bleue »), à qui on attribue l'unification de la Suède et de la Norvège.

10m1 mW(0 dBm)

III

15-20m2,5 mW(+4 dBm)

II

100m100 mW (+20 dBm)

I

Portée Puissance Classe

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• Piconet– 7 active slaves / Master– 255 « parked » slaves / Master– Half Duplex with TDMA: fast

switching

• Scatternet : max 10 piconets

• Profils d’application– A2DP(Audio), AVRCP, BIP BPP,

CTP, DUNP, Fax, FTP, HSP, LAP,

• Procédé de connexion radio– Mode passif – Phase d'inquisition : découverte des

points d’accès – Synchronisation avec le point

d’accès (paging) – Découverte des services du point

d’accès (SDP)– Création d’un canal avec le point

d’accès (L2CAP)– Pairage à l’aide d’un code PIN

(pairing) pour la sécurité– Utilisation du réseau

Résumé (2/2) surNature des réseaux & Mode de Fonctionnement

Résumé (1/2) surLe nom « ZigBee » traduit le vol en ZigZag de l’abeille pour évoquer les communications radio de proche en proche

• IEEE 802.15.4• ZigBee Alliance• 2.4GHz (915MHz, 868MHz)• DSSS, 250kbps, 20m• topologies Star, Tree, Mesh• Up to x65536 end points • PAN Coordinator• Full-Function Device (FFD)• Reduced-Function Device (RFD)

• Forces– Marketing puissant

– Alliance forte (major players)

• Faiblesses– Portée modeste

– No direct link between x2 RFD

– Not mature yet

– Compet with KNX and many otherproprietary protocol

Résumé (2/2) sur

Cluster Tree

Mesh

Star

PAN coordinator

Full-function deviceReduced-function device

Résumé sur

• Wi-Fi Alliance (anciennement WECA)

• IEEE 802.11

• 11Mbps théorique, 6Mbps réel

• Hot spots (opérateurs) : gares, aéroports, hôtels, trains, ...

• BP fixe => débit baisse quand le nb d’utilisateurs augmente !

Wi-Fi pour Wireless Fidelidy. Technologie WLAN pour liaison haut débit du prolongement radio Ethernet.

100 m54 Mbit/s2.4 GHzWiFi G (802.11b)

100 m11 Mbit/s2.4 GHzWiFi B (802.11b)

10 m54 Mbit/s5 GHzWiFi a (802.11a)

PortéeDébitBande de fréquenceStandard

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Résumé surWiMax est l’abbréviation de WorldwideInteroperability for Microwave Access. Connexion Internet radio haut débit sur plusieurs km.

3,5 km30 Mbits/s2-6 GHzWiMAX mobile (802.16e)

10 km75 Mbits/s2-11 GHz (3,5 GHz en Europe)WiMAX fixe (802.16-2004)

PortéeDébitBande de fréquenceStandard

• Création par Intel & Alvarion en 2002

• IEEE 802.16

• WiMax fixe avec antenne sur un toit (avec licence d’exploitation)

• Wimax mobile => ouvre la voie à tél mobile sur IP

• Base Transmission Station (BTS) => réservé aux opérateurs

Résumé sur la téléphonie mobile1ere, 2e, 3e génération … réseaux cellulaires. Mobilité => gestion du passage d’une cellule à l’autre (handover)

• BTS : Base Transceiver Station (gestion des mobiles dans la cell)

• BSC : Base Station Controller (gestion de plusieurs BTS)

• MSC : Mobile service Switching Center (connexion RTC/internet)

Résumé sur la téléphonie mobile

• 1G: AMPS, TACS, ETACS

• 2G: GSM, CDMA, TDMA– GSM : Global System for Mobile communications

– CDMA : Code Division Multiple Access

– TDMA : Time Division Multiple Access

– SMS/MMS : Short Message Service / Multimedia Message Service

• 2,5G: GPRS (General Packet Radio System) 114kbps (50kbps)

• 2,75: EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution) 384kbps

• 3G : UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 2Mbps

Résumé sur la téléphonie mobile

384

Kbps

0.144-2

Mbps

Permet le transfert simultanés de voix ET de données

numériques à haut débit.3G, 3G+UMTS

171

kbps

43,2-345,6

kbps

Permet le transfert simultanés de voix ET de données

numériques.2.75GEDGE

48

kpbs

21,4-171,2

kpbs

Permet le transfert de voix OU de données

numériques de volume modéré.2.5GGPRS

9,6

kpbs9,6 kpbs

Permet le transfert de voix OU de données

numériques de faible volume.2GGSM

DébitBande de fréquenceGénérationStandard

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FOCUS sur les

réseaux personnels sans fil

Marché “Low Power RF” en 2009

INDUSTRIAL20Mu

BUILDING11 Mu

CHEM/NUCL/BIO2 Mu

HOME15 Mu

SECURITYALARM45 Mu

MEDICALMu

METERING40Mu

ENVIRONMENT/AGR1 Mu

RFID UHFMu

Normes & Recommandations Radio

RF consumer

CapacitésWAN

Basse consoLongue portée

AvantageCoût

Table de comparaison

1

1

10/100 m

FHSS

1

2.4 GHz

Bluetooth

4233<1Relative Cost(vs Bluetooth)

30/100 m30/100 m30/100 m200 m20 mIndoor Range

3

TDMA

0.032

1.9 GHz

DECT

423<1Relative Consumption(vs Bluetooth)

OFDMFHSSDSSS/OFDM

DSSSPHY

541.65.5/110.02 / 0.2Data speed(Mbps)

5.2 GHz2.4 GHz2.4 GHz/5.2 GHz

2.4 GHz868 MHz915MHz

Frequency

Hiperlan2HomeRFWiFi802.11

ZigBee802.15-4

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Annonces marketing versus réalité

Concurrence & complémentarité entre Bluetooth, ZigBee, Ultra Wide Band,…

et les solutions propriétaires

Analyse

• Lobbying des grandes compagnies

– Fabricants de semiconducteur & Equipementiers

• Marketing « à l’américaine »

– Salons, Presse, Annonces

• Rapports d’analyse marché tonitruants

• Mais … quid des performances ?

– Bluetooth

– ZigBee

IEEE802.15.4 - PROs & CONs

• Target scope : personal operating space (POS) of 10m

• Less range due to -93dBm sensitivity vs. -113dBm Wavenis

• Poor coexistence of DSSS with FHSS (cf. Wi-Fi vs. Bluetooth reports)

• Low process gain of DSSS within 868MHz bands

• DSSS can not avoid sub-channels restricted to alarms use only

ZigBee - PROs & CONs

• Just an emerging proposal: not a field-proven solution – could be risky for industries that look for maturity & stability

• What about interoperability? Bluetooth took 10 years before achieving interoperability.

• Introduces heterogeneous devices (3 different types) in a wireless network: Full Function Device (FFD), Reduced Function Device (RFD) and PAN coordinator

• ZigBee imposes a synchronized master/slave topology with FFD or PAN coordinator that implies adding a third device even when only two simple low-cost devices (RFD) are required. For lighting application with several sensors and several actuators within a same area, what about master/slave management?

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Partie 3

Coronis

Company profile

• Coronis created in 2000 (HQ in Montpellier / France)• 55 people

• Wavenis Ultra Low Power long range wireless connectivity platform

• 7M€ / 12M€ / 18M€ revenue 2007/2008/2009• 4,000,000+ Wavenis-enabled devices deployed• up to 100,000 end-points fixed networks

Company Mission

• Create a world class wireless platform with ultra-low-power and long-range capabilities

• Provide OEM products and solutions for system integrators, manufacturers, and value-addedresellers

Requirements for hard-to-reachultra low-power devices

Low quantities

of data

Low traffic

Open to WANs

Long battery life

High linkbudget

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Wavenis highlights

• Long battery life (up to 15 years on primary battery)

• Long range (200m indoor – 1km LOS)

• Smart links (2-way communications)

• Reliable transmissions (FHSS, FEC, data interleaving)

• Sub-GHz bands operation

• Connection to WANs

Fundamentals of Wavenis

• Long life time– Power saving management (µC activity relaxed) – 10µA / 2,7V

– Fast access time with Receive/Standby cycle as default operating mode

– Programmable access time : 10ms min < 1s typ < 10s max

– Very short receive mode duration– 500µs (no energy on the channel)

– 1600µs (if energy but non coherent signal)

– Relaxed synchronization scheme (10s)

• Long range– Low data rate : 2,4kbps min < 20kbps typ < 100kbps max

– Very high sensitive receivers : -113dBm @ 20kbps

– Output powers : +14dBm (25mW) +27dBm (500mW) version

– Radio range extender : repeater function embedded in native – up to x3 repeaters + 500mW version

Fundamentals of Wavenis – Cont’d

• Smart links– 2-way communications

• Secure communications (ACQ)

• Transmission upon request => power savings contributor

• Spontaneous alert transmission

• Reliable transmissions– Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)

– 1 frame = 16 hops with 16 bits transmitted per channel

– Forward Error Correction : BCH(31,21) coding

– Data interleaving => maximize success Tx on the 1st attempt

=> Digital noise spreading

Fundamentals of Wavenis – Cont’d

• RF features– 868MHz (ETS), 915MHz (FCC) ISM, licence free bands

– FHSS / mono-channel for alarm bands with GFSK modulation

– Automatic Frequency Control (AFC) => top RF perf over full lifetime

– QoS with Receive Strength Signal Indicator (RSSI) management

– Programmable output power=> power savings contributor

– Automatic Sensitivity Control (noisy environment / GSM base station)=> power savings contributor

• Network layer– Point-to-point, Group (broadcast, polling), repeater modes

– Tree, star, meshed topologies

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Wavenis transceiver

RF Front End

DE

MO

DSW LO PLL

MO

D CTRL

blueRF /Proprietary

BB Controller

RF

CO

NT

RO

L

FHSS Timing

FEC scrambler

FEC descrambler decryption

encryption

security

CRC/HEC

CRC/HEC

TX buffers

RX buffers

LM/LC SW HCI

US

B/U

AR

T …

HCI

Controller

L2C

AP

SD

PR

FC

PR

OF

ILE

S

APPLICATION

Controller

PR

OF

ILE

S

APPLICATION

FHSS

Set of OEM platforms

Wavenis-enabled M2M operation

Star topology

Tree topology

Mesh topology

Network installation and configuration

PCs & servers

Remotemonitoring

andmanagement

Cellular

network

± 3 mi

± 1 mi

Flexible operating modes

• PPP, broadcast, repeater

• Star, tree & mesh networks

ULP wireless network features

• Optimum wireless traffic

• Self-organizing

• Self-healing

• Easy network maintenance

Flexible operating modes

• PPP, broadcast, repeater

• Star, tree & mesh networks

ULP wireless network features

• Optimum wireless traffic

• Self-organizing

• Self-healing

• Easy network maintenance

2nd generation Wavenis-enabled platforms by Coronis

• System On Chip– Enhanced ULP RF transceiver– Innovative 32-bit ULP MCU architecture– Memory, drivers

• Advanced self-routing & self-healing algorithmwith overhearing prevention for ULP networks

• Engineering samples Q4 2009, production Q1 2010

• Down to 3.99EUR: mounted and fully tested OEM card

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www.wavenis-osa.org

Opening the new age of

Machine-2-Machine applications

November 23, 2009 www.wavenis-osa.org 46

Wavenis-OSA at a glance

• Wavenis Open Standard Alliance

• Non-profit, independent organization

• Incorporated in USA in June 2008

• By-laws & IPR policy developed in collaboration with internationally recognized US law firm of Gesmer-Updegrove

• Administration & Support provided by US partner Virtual Management

November 23, 2009 www.wavenis-osa.org 47

Why create the Wavenis-OSA now?

• Wavenis designed from the start to evolve into an industry standard

• Standardization ensures longevity and competitiveness

• ULP market is still fragmented and mostly use proprietary solutions

• Desire to increase Wavenis exposure worldwide

November 23, 2009 www.wavenis-osa.org 48

Alliance Mission

• To promote Wavenis technology

• To define Wavenis technology roadmap

• Promoting Wavenis adoption and usage globally

• Promoting interoperability of Wavenis-enabled products and services via a testing and compliance program

• Establishing connections with major industry standards organizations and proprietary initiatives

• To be financially independent

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November 23, 2009 www.wavenis-osa.org 49

Who Should Join?

• Solution Providers & Adopters

• Product and solution manufacturers

• Silicon vendors and wireless solution providers

• Design houses and software developers

• R&D labs and universities

• Testing tool manufacturers

November 23, 2009 www.wavenis-osa.org 50

Membership Levels & Dues

• Principal Member (Coronis/Elster and France Telecom)– Designated board seat

– Run for elected officer positions

– Opportunity to chair committees

– Dues $20,000

• Participating and Advisory Member– Participate in technical and marketing committees

– Dues from $9,000 - $3,000 depending on the level

• Informational Member (free)

November 23, 2009 www.wavenis-osa.org 51

Contact Us

To view the Alliance bylaws, membership benefits and application, visit www.wavenis-osa.org or contact us with any questions.

401 Edgewater Place, Suite 600

Wakefield, MA 01880 U.S.A.

Tel.: +1 (781) 876-6223

Fax: +1 (781) 224-1239

Email: [email protected]