Analyse Des Différents Types Des Fonctions De La Radio Cognitive

Analyse Des Différents Types Des Fonctions De La Radio Cognitive
RATSIRARSON S. A1, RAKOTONIRINA T2, RAVONIMANANTSOA N.M.V.3
Laboratoire de Télécommunication, d’Automatique, de Signal et Images (L.TASI)
ESPA, Département Télécommunication
Université d’Antananarivo
BP 1500, Ankatso – Antananarivo 101 – Madagascar
1
[email protected], 2rakotefy @yahoo.fr, 3 [email protected]
Résumé
Abstract
forme
de
The cognitive Radio is a shape of wireless
laquelle
un
communication in which a transmitter/receiveris
détecter
capable of detecting intelligently the communication
intelligemment les canaux de communication qui
channel swhich are in the course of use and those who
sont en cours d’utilisation et ceux qui ne le sont
are not him, and can move towards the unused
pas, et peut
canaux
channels. This allows to optimize the use of the
inutilisés. Ceci permet d’optimiser l’utilisation
available radio frequencies of the spectre while
des fréquences radio disponibles du spectre tout
minimizing the interferences with other users. The
en minimisant les interférences avec d’autres
principle of the cognitive Radio requires an alternative
utilisateurs.Le principe de la Radio cognitive
management of the spectre which is the following one:
nécessite une gestion alternative du spectre qui
a secondary user can reachat any time frequency
est la suivante : un utilisateur secondaire pourra
bands which he finds free, that is, not occupied by the
à tout moment accéder à des bandes de
primary user possessing a license(Bachelor'sdegree)
fréquence qu’il trouve libres, c’est-à-dire, non
on this band. The secondary user will have to give up
occupées par l’utilisateur primaire possédant une
them once the ended service or when a primary user
licence sur cette bande. L’utilisateur secondaire
will have shown the vague desires of connection.
devra les céder une fois le service terminé ou une
Keywords: cognitive Radio, alternative management
fois qu’un utilisateur primaire aura montré des
of the spectre, the interferences
La
Radio cognitive
communication
est
sans fil
émetteur/récepteur
est
une
dans
capable
se déplacer
vers
de
les
velléités de connexion.
Mots clés : Radio cognitive, gestion alternative du
spectre, interférences 72 1. Introduction
sans fil ou un point d’accès sans fil), comme
par exemple, la gamme de fréquences, le type
Certaines
bandes
et
réseaux
sont
déjà
de modulation ou la puissance de sortie [1].
surchargées aux heures de pointe. Pourtant,
l’utilisation du spectre n’est pas uniforme :
Cette
selon les heures de la journée, selon la
appareil
position
bande
moment et offre donc aux utilisateurs un
peut être surchargée pendant
accès plus souple, efficace et complet à
géographique,
fréquentielle
une
capacité
aux
permet
d'adapter
conditions
chaque
spectrales
du
qu’une autre reste inutilisée. L’idée a donc
cette
naturellement émergé de développer des outils
améliorer
permettant de mieux utiliser le spectre. La
données et la portée des liaisons sans
radio cognitive est le concept qui permet de
augmenter la bande passante ni la puissance de
répondre à ce défi ; mieux utiliser le spectre,
transmissions. La RC offre également une
c’est aussi augmenter les débits et rendre plus
solution
fiable la couche physique.
l'encombrement du spectre en accordant
ressource.
Cette
considérablement
équilibrée
au
approche
le
débit
peut
des
problème
de
d'abord l'usage prioritaire au propriétaire du
2. Etat de l’art
spectre, puis en permettant à d'autres de se
2.1 Définition de la radio cognitive
servir des portions inutilisées du spectre [1].
La cognition regroupe les divers processus
2.2 Radio logicielle (software radio)
mentaux allant de l'analyse perceptive de
La radio logicielle est une radio dans
l'environnement à la commande motrice (en
passant
par
la
mémorisation,
laquelle les fonctions typiques de l’interface
le
radio généralement réalisées en matériel, telles
raisonnement, les émotions, le langage…) [1].
que la fréquence porteuse, la largeur de bande
Le terme radio cognitive est utilisé pour
du signal, la modulation et l’accès au réseau
décrire un système ayant la capacité de
sont réalisés sous forme logicielle. La radio
détecter
logicielle
et
de
reconnaître
son
cadre
moderne
intègre
également
d'utilisation, ceci afin de lui permettre d’ajuster
l’implantation logicielle des procédés de
ses paramètres de fonctionnement radio de
cryptographie, codage correcteur d’erreur,
façon dynamique et autonome et d'apprendre
codage source de la voix, de la vidéo ou des
des résultats de ses actions et de son cadre
données [2].
environnemental d'exploitation [1].
Le concept de radio logicielle doit également
nouvelle
être considéré comme une manière de rendre
technologie qui permet, à l'aide d'une radio
les usagers, les fournisseurs de services et les
logicielle, de définir ou de modifier les
fabricants plus indépendants des normes.
paramètres
la
Ainsi, avec cette solution, les interfaces radio
fréquence radio d’un nœud réseau (téléphone
peuvent, en principe, être adaptées aux besoins
La
radio
cognitive
de
est
une
fonctionnement
de
73 d’un service particulier pour un usager
occupées
particulier dans un environnement donné à un
possédant
instant donné [2].
L’utilisateur secondaire devra les céder une
par
une
l’utilisateur
licence
sur
dit
primaire
cette
bande.
fois le service terminé ou une fois qu’un
On
distingue
plusieurs
niveaux
utilisateur primaire aura montré des velléités
d'avancement dans le domaine : la radio
de connexion.
logicielle est le but ultime intégrant toute
les fonctionnalités en logiciel, mais elle
Un
impose des phases intermédiaires combinant
transmissions suivant différentes bandes de
anciennes et nouvelles techniques, on parle
fréquences et différentes technologies en
alors de radio logicielle restreinte (software
exploitant
defined radio). Les contraintes de puissance de
instant donné et à un endroit donné. Il a besoin
calcul,
d’une station de base capable de travailler sur
de
consommation
électrique,
de
Réseau
Cognitif
les
bandes
coordonne
disponibles
les
à
un
coûts, etc imposent actuellement de passer
une
par cette phase intermédiaire [2].
reconnaître différents signaux présents dans le
large
gamme de fréquences afin de
réseau et se reconfigurer intelligemment[3].
2.3 Radio logicielle restreinte
2.4 Relation entre radio cognitive et radio
La radio logicielle restreinte est un système
logicielle restreinte
de communication radio qui peut s’adapter
à n’importe quelle bande de fréquence et
L’une des principales caractéristiques de la RC
recevoir
est la capacité d’adaptation où les paramètres
n’importe
quelle modulation en
utilisant le même matériel.
de la radio (fréquence porteuse, puissance,
modulation, bande passante) peuvent
Les
opportunités
qu’offre
le
SDR
lui
modifiés en fonction de : l’environnement
permettent de résoudre des problèmes de la
gestion
dynamique
du
spectre.
être
radio, la situation, les besoins de l’utilisateur,
Les
l’état du réseau, la géolocalisation,...etc[5].
équipements SDR peuvent fonctionner dans
des réseaux sans fil hétérogènes c’est-à-dire
La radio logicielle est capable d’offrir les
qu’un
fonctionnalités
SDR
idéal
peut
s’adapter
de
flexibilité,
de
automatiquement aux nouvelles fréquences et
reconfigurabilité et de portabilité inhérentes à
aux nouvelles modulations[3].
l’aspect d’adaptation de la radio cognitive.
Par conséquent, cette dernière doit être mise en
Le principe de la radio cognitive, repris
œuvre autour d’une radio logicielle. En
dans la norme IEEE 802.22, nécessite une
d’autres termes, la radio logicielle est une
gestion alternative du spectre qui est la
"technologie
suivante : un mobile dit secondaire pourra à
cognitive[4].
tout moment accéder à des bandes de
fréquence qu’il juge libre, c’est-à-dire,
non
74 habilitante"
pour
la
radio
•
hitecture de la
l radio cogn
nitive
2.5 Arch
Les
sixx
composaantes
foncttionnelles
L
La
perceeption
ll'utilisateur
sensorielle
ut
qui inclu
systèm
me
médi
dias
indéépendants
•
Les fonctions
f
SD
DR (qui inccluent la
détecttion RF et lles applicatio
ons radio
de
de la SDR).
S
l'interfaace
•
Les fonctions
f
dee la cognition (pour
vvidéo et less fonctions de détectionn et
les
dde la percepttion.
pprentissage).
planiffication, d'app
L
Les
llocal
capteuurs
de
•
l'eenvironnemeent
(empplacement,
(les
comm
me un jeu enn réseau).
hhaptique (duu toucher), acoustique, la
•
applicationns
servicces
de
l’architecture d’une radio
r
cognitiive sont [4]:
•
Les
températur
ure,
de
systèmes
Les
contrô
ôle,
locales
fonctions
de
effectrices
(synth
hèse de la pparole, du texte, des
aaccéléromètrre, etc.)
graphiques
ett
des
affiches
radio
cognitive
multim
médias).
Figure 01::
Protocolles utilisés en
n radio cogn
nitive
2.6 Cyclle de cognitioon
sttimuli
co
omme
La compposante cognnitive de l’arcchitecture dee la
composaante
de
synth
hétise
manière
évidente.
sen
nsorielles
l'eenvironnemeent, s’orientte, crée dees plans,
ceette
déécide, et puiss agit [1].
L
Les
75 interrupptions
un
ne réponse. Une
U telle raddio cognitivee observe
temporellle, des flux d'inférences et des états de
cyycle
des
lla
en
nvoyées surr le cycle de la cognittion pour
radio coognitive com
mprend unee organisatiion
contrôle. Ce
entreent dans
Figure
F
02:
ognition
Cycle de co
mposantes dee la radio cog
gnitive
2.7 Com
n œuvre cess fonctionnaalités sont présentées
en
daans la figure ci-dessous [[6].
Les
différentes
composantes
d''un
ve qui metteent
émetteurr/récepteur radio cognitiv
Figure 03
3:
Compoosantes de la
a radio cogniitive
1) U
Un émetteuur/récepteur SDR
saans
techniiques de tra
raitement du
u signal
le composant
c
majeur
m
avec lles
peuveent être utiilisées pourr obtenir
ffonctions duu signal de trransmission de
des informations
i
s sur l'utilissation du
ddonnées et de
d réception
n. En outre, un
spectrre.
ffil est
rrécepteur sanns fil est égaalement utiliisé
3) L'apprrentissage
ppour observver l'activité sur le specttre
connaaissances
dde fréquencee (spectre de détection).
spectrre
les
suur l'utilisatiion
pouur
ambiant
de
du
com
mprendre
qque la trannsmission d'un utilisateeur
l'envirronnement
pprimaire n'eest pas perrturbée si uun
exemp
ple le
uutilisateur seecondaire déécide d'accédder
utilisaateurs sous licence). Une
U
base
aau spectre. Dans ce cas, diversses
de co
onnaissancess de l'enviro
onnement
76 l'extracction
utilisent
inform
mations
2) L
L'analyseur de spectre doit s'assurrer
et
RF
R
ccomportemen
nt
(par
des
d'accès au spectre est construite et
le fait de mesurer
entretenue, qui est ensuite utilisée
du
pour
transmissions d'utilisateurs secondaires.
optimiser
paramètres
et
de
adapter
transmission
atteindre l'objectif
les
récepteur
l'interférence au niveau
primaire
causée
par
les
pour
désiré
3.2 Gestion du spectre
sous
diverses contraintes. Les algorithmes
Capter les meilleures fréquences disponibles
d'apprentissage peuvent être appliqués
pour
pour l'apprentissage et l'extraction de
communication des utilisateurs.
répondre
aux
besoins
de
connaissances.
Les radios cognitives devraient décider de
4) Après
que
de
la meilleure bande de spectre pour répondre
l'utilisation du spectre soit disponible,
aux exigences de qualité de service sur
la décision sur l'accès au spectre doit
toutes les bandes de fréquences disponibles,
être
donc les fonctions de gestion du spectre sont
faite.
dépend
la
La
du
connaissance
décision
milieu
optimale
elle
nécessaires pour les radios cognitives. Ces
dépend du comportement coopératif
fonctions de gestion peuvent être classées
ou
comme suit:
compétitif
secondaires.
ambiant,
des
utilisateurs
Différentes
techniques
3.2.1 Analyse du spectre
peuvent être utilisées pour obtenir une
solution optimale.
Les résultats obtenus de la détection du spectre
sont analysés pour estimer la qualité du
3. Fonctions de la radio cognitive
spectre. Une des questions ici est de savoir
Les principales fonctions de la radio cognitive
comment mesurer la qualité du spectre qui
sont les suivantes [5]:
peut
être
accédée
secondaire.
3.1 Détection du spectre
Cette
par
un
qualité
utilisateur
peut
être
caractérisée par le rapport signal/bruit, la
Détecter
le
partager
sans
spectre
non
le
durée moyenne et la corrélation de la
d'autres
disponibilité des espaces blancs du spectre.
utilisateurs. La détection des utilisateurs
Les informations sur cette qualité de spectre
primaires est la façon la plus efficace pour
disponible
à
détecter les espaces blancs du spectre.
cognitive
peuvent
interférence
utilisé
avec
et
un
utilisateur
être
par
imprécises
radio
et
bruyantes. Des algorithmes d’apprentissage de
L'un des objectifs de la détection du spectre, en
l’intelligence artificielle sont des techniques
particulier pour la détection des interférences,
qui peuvent être employées par les utilisateurs
est d'obtenir le statut du spectre (libre /occupé),
de la radio cognitive pour l'analyse du spectre.
de sorte que le spectre peut être consulté par
un utilisateur secondaires en vertu de la
contrainte d'interférence. Le défi réside dans
77 daans
3.2.2 Déécision sur lee spectre
l'accèss
au
en
nvironnemen
nt
La com
mplexité duu modèle de décision poour
l'accès aau spectre
dépend
dees
objectifss
utilisaateur
secon
ndaire
un
n seul objjectif. Par exemple, plusieurs
uttilisateurs
un
déébit individu
uel soit maxximisé. Au cours de
les pertuurbations caausées à l'ussager primairre.
ceette
Les métthodes d'opttimisation sttochastique ((le
dans
tous
entrre
les
veiillent
uttilisateurs
à
ce
que
l’interférence causée à l'uttilisateur prim
maire est
outil intééressant pouur modéliser et résoudre le
specttre
concurrrence
seecondaires,
processuus de décision de Mark
kov) seront un
au
uns avvec les auttres pour
acccéder au sp
pectre radiodde sorte que
q
leur
maximisser son renddement tout en minimisaant
d’accès
e
en
secondairess peuvent entrer
co
ompétition les
l
utilisateuur secondairre peut avoirr l'intention de
problèm
me
chaque
uttilisateurs peeuvent collabborer pour atteindre
a ddes
multiples. Par ex
xemple,
non-cooopératif,
un
daans un environnement coopératif, tous les
modèle de décisionn devient plus
p
compleexe
un
Dans
D
uttilisateur a son propre objectif, taandis que
paramètrres
considérrés lors de l'analyse du spectre. L
Le
quand
speectre.
maintenue
m
en dessous
uun
de la limite de
teempérature de brouillaage corresp
pondante.
environnnement radioo cognitif [4].
Dans
D
un enviironnement ccoopératif, les radios
3.2.3 Cooopération dans
d
un environneme
e
ent
co
ognitives coo
opèrent les uunes avec lees autres
multi utiilisateurs
po
our prendre une décisioon pour accéder au
sp
pectre
Lorsque plusieurs
utilisateurs
secoondaires)
(à
so
ont
la
dans
foois
primairees
et
système,,
leur préfférence va influer sur la
et
de
maxim
miser
une fonction
ob
bjectif com
mmune en tenant com
mpte des
le
co
ontraintes.
Dans
un
tel
scén
nario, un
co
ontrôleur cen
ntral peut cooordonner le spectre
décision du spectree d’accès. Ces
C utilisateuurs
dee gestion.
peuvent être coopéératifs ou no
on coopérattifs
Figgure 04:
Accès
A
au speectre coopératif et non coopératif
c
3.2.4 Miise en œuvrre distribuéee du contrôôle
pectre, chaqu
ue utilisateuur peut paarvenir à
sp
d’accès au spectre
un
ne
Dans
uun environnnement
multi
décisiion
optim
male
de
façon
utilisateeur
in
ndépendante en observannt le comp
portement
distribuéé, pour un accès non--coopératif au
(h
historique / action) dees autres uttilisateurs
78 système. Par conséquent, un algorithme
secondaire correspondant doit être informé de
distribué est nécessaire pour un utilisateur
la non-intervention du spectre (la demande de
secondaire pour prendre la décision sur l'accès
synchronisation) [3].
du
au spectre de manière autonome.
4. Conclusion et Perspectives
3.3 Mobilité du spectre
D’un point de vue opérateur, une gestion
C’est le processus qui permet à l’utilisateur de
optimisée du spectre s’impose pour pouvoir
la radio cognitive de changer sa fréquence de
tirer le maximum de profit de la bande
fonctionnement.
passante globale disponible.
Les réseaux radio cognitifs essayent d’utiliser
La
le
en
technique
de
télécommunications
spectre
permettant
de
à
manière
des
dynamique
terminaux
radio
radio
cognitive
est
aux
un
domaine
frontières
et
de
des
l'intelligence
fonctionner dans la meilleure bande de
artificielle. Elle est, avant tout, un système
fréquence
les
radio qui met en place, en plus de sa
exigences de communication transparentes
fonction principale (la communication), un
au cours de la transition à une meilleure
"cycle cognitif" qui lui permet de comprendre
fréquence [6].
son contexte et d'agir en conséquence. Cela
disponible,
de
maintenir
offre aux utilisateurs un débit et une QoS
4.1 Recherche des meilleures bandes de
accrus,
fréquence
globalement
une augmentation du
confort dans leurs communications. Pour
La radio cognitive doit garder une trace des
assurer ces fonctions, la radio cognitive
bandes de fréquence disponibles de sorte que
doit pouvoir déterminer son emplacement
si nécessaire (par exemple, un utilisateur
géographique, repérer le brouillage, détecter
autorisé
peut passer
l’occupation du spectre et recueillir de
bandes
l’information sur la propagation, créant ainsi
est
immédiatement
détecté),
à
il
d'autres
de
une sensibilisation à l’environnement radio.
fréquences. Lors de la transmission par un
utilisateur secondaire, l'état de la bande de
5. Références
fréquences doit être respecté.
[1] Glisic
4.2 Auto-coexistence et synchronisation
S.,
«ADVANCED
WIRELESSNETWORKS
Cognitive,
Quand un utilisateur secondaire effectue un
Cooperative and Opportunistic 4G
transfert du spectre, deux questions doivent
Technology»,
être prises en compte. Le canal cible ne doit
University of Oulu, Finland
pas être actuellement utilisé par un
utilisateur
secondaire
(l'exigence
autre
[2] Mitola
d'auto-
integrated
coexistence), et le récepteur de la liaison
79 J.,
Second
«Cognitive
agent
Edition,
radio:
An
architecture
for
software
defined
radio»,
Ph.D.
Dissertation, KTH, 2000.
[3] Hossain E., Niyan D. and Zhu Han,
«Dynamic
Spectrum
management
networks»,
in
Access
cognitive
Cambridge
and
radio
University
Press 2009.
[4] Ngom I. et Diouf L., «La radio
cognitive», université Lille 1 USTL,
2008
[5] Haykin S., « Cognitive radio: Brain
empowered wireless communications
», IEEE journal on selected areas in
communications,
vol.
23
no.
2,
February 2005.
[6] Mitola J.and Maguire G., « Cognitive
radio: Making software radios more
personal»,
Communications,
IEEE
Page(s):
Personal
13-18,
August 1999.
80