LA RADIO COGNITIVE

Projet réalisé par

Insa Ngom et Louis Diouf

Master Professionnel Télécommunications

2007/2008

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SOMMAIRE

INTRODUCTION ………………………………………………………….2

I. DEFINITION ET PRINCIPES …………………………………………….3 1. Radio cognitive idéale ……………………………………………….4 2. Innovations techniques ………………………………………………5

II. ARCHITECTURE DE LA RADIO COGNITIVE …………………………8 1. Les composants fonctionnels de l’architecture ………………………8 2. Le cycle de cognition ………………………………………………..11

a) La phase d’observation ………………………………….12 b) La phase d’orientation …………………………………...13 c) La phase de planification ………………………………..13 d) La phase de décision …………………………………….14 e) La phase d’action ………………………………………..14 f) La phase d’apprentissage ………………………………..14

III. APPLICATIONS ………………………………………………………….15 1. Amélioration de l'efficacité spectrale.............................................15 2. Amélioration de la fiabilité du lien ................................................18 3. Topologie avancée du réseau ........................................................19 4. Les techniques de collaboration ....................................................20 5. Automatisation de la gestion des ressources Radio ......................22

CONCLUSION ……………………………………………………………...23

GLOSSAIRE ………………………………………………………………...24

REFERENCES ……………………………………………………………....25

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INTRODUCTION

La récente et rapide évolution des technologies sans fil entraine une forte demande en termes de ressources spectrales. Pour palier à ce problème il faut une bonne gestion du spectre et donc une utilisation plus efficace de celui-ci. C’est dans ce cadre que des études sont menées dans le domaine de la radio cognitive par des chercheurs tels que ceux de l’institut Eurocom. La radio cognitive est un système qui permet à un terminal de pouvoir interagir avec son environnement. Cela signifie que celui-ci sera capable de percevoir son environnement, de le modéliser et de s’y adapter. Il pourra donc détecter les fréquences libres et les utiliser, contribuant ainsi à une meilleure efficacité spectrale. Nous allons étudier dans ce projet la radio cognitive dans ses différents aspects : Principes, Architecture et Applications.

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I/ Définition et principes de la radio cognitive Le terme de radio cognitive a été fréquemment utilisé pour parler d’un système capable de prendre conscience de son environnement et de tirer profit de cette information. Parfois, il est considéré de façon plus restrictive comme un système disposant d’une grande agilité en fréquence pour explorer les opportunités qui peuvent exister dans le spectre fréquentiel.

La radio cognitive est une technologie qui fait appel à l’intelligence des réseaux et des terminaux pour :

� détecter les besoins de communications des utilisateurs en fonction de l'utilisation � fournir des ressources radio et les services sans fil les plus appropriés à ces besoins

Pour ce faire, la radio cognitive doit disposer de trois principales capacités : � « aware » : c’est la capacité à prendre conscience de son environnement. Un terminal

radio cognitif associera donc environnement spatial, spectral et comportement des usagers ; pour une meilleure prise en conscience du provisionnement en ressources et un meilleur service.

� « adaptation » : c’est la capacité à s’adapter soit à soit à l’environnement (spectral ou technologique), soit à l’utilisateur (besoins et sécurité). L’adaptation à l’environnement spectrale est la capacité à choisir les meilleures bandes de fréquences et ainsi optimiser l’utilisation du spectre. Cela revient à :

� Connaître l’occupation des bandes de fréquences en temps réel � Adapter les puissances émises / marges en réception / Formes d’ondes � Adapter le débit en temps réel en fonction de la place disponible � Prendre en compte un partage temporel

Partage du spectre

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Cette adaptation spectrale favorise le partage des bandes de fréquences (Notre communication n’est pas brouillée et ne brouille pas d’autres communications.), la mobilité et les compromis entre QoS, densité et portée. L’exploitation du spectre devra donc se faire de façon opportuniste sans gêner les autres utilisateurs et en mettant en place des techniques de gestion de priorité directement au niveau du terminal. L’adaptation à l’utilisateur quant à elle se définit comme la capacité à reconnaitre l’utilisateur. Cela est possible grâce à des techniques telles que la reconnaissance vocale et la biométrie. En cas de perte ou de vol du terminal, les données de l’utilisateur sont donc protégées. Un terminal radio cognitif pourra aussi percevoir l’état de l’utilisateur et réagir en conséquence. Par exemple, si l’utilisateur est victime d’une crise cardiaque, son terminal peut alerter automatiquement un centre de soins. En effet il peut détecter la fréquence cardiaque de l‘utilisateur grâce à un PAN ultra-large bande. Le PAN se renseigne en premier lieu de l’imminence de l’attaque, puis alerte le centre le plus proche.

� « cognition » : La cognition regroupe les divers processus mentaux allant de l'analyse

perceptive de l'environnement à la commande motrice (en passant par la mémorisation, le raisonnement, les émotions, le langage…). Cette définition dépasse donc le seul cadre de la cognition humaine ou animale. La radio cognitive est donc un système qui peut percevoir son environnement, l’analyser, le mémoriser et agir en conséquence. On peut par exemple imaginer un téléphone qui puisse apprendre la localisation des fréquences radios sans être programmé. Il pourrait créer une base de données de vecteurs de localisation (latitude, la longitude, l'heure, fréquences radios). Supposons que la technologie comprenne un algorithme de reconnaissance des formes qui détecte une séquence de vecteurs le long de laquelle le signal s’évanouit profondément pendant plusieurs minutes. Cet algorithme de reconnaissance des formes pourrait décider d’un handover non pas sur la puissance de signal reçu mais sur la localisation. Le téléphone anticiperait donc sur l’affaiblissement du signal pour toujours être mieux connecté (« always best connected »).

1) Radio cognitive idéale Une radio cognitive idéale se définit comme un système de communications sans fil avec les capacités fonctionnelles suivantes : 1. Détection: RF, audio, vidéo, température, accélération, emplacement, et autres. 2. Perception: détermination de ce qui est dans la "scène" grâce à des capteurs de domaines. 3. Orientation: Evaluer la situation et déterminer si elle est familière. Réagir immédiatement, si nécessaire. L’orientation en temps réel nécessite une mémoire associative.

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4. Planification: Identifier les actions alternatives à prendre sur une ligne de temps de délibération. 5. Décisions: Décider entre les actions du candidat, en choisissant la meilleure action. 6. Action: Exercer des effets dans l'environnement, y compris RF, Homme-machine, et les communications machine-machine. 7. Apprentissage automatique: à partir de l'expérience acquise de 1-6.

Les systèmes cognitifs observent, orientent, planifient, décident et agissent, en tout temps apprenant d'eux même et de leur environnement afin d'être plus efficaces au fil du temps. Les projets sur la radio cognitive devront s’inscrire de façon générale dans le cadre de la mobilité, de l’interopérabilité, et s’articuler autour des terminaux en traitant des points suivants :

• Découverte du contexte et adaptation : il s’agit là de l’objectif général de la radio cognitive

• Gestion des ressources (énergie, spectre) : de façon prioritaire, il s’agira de se concentrer sur la gestion du spectre. Cependant, en abordant les aspects réseaux et le partage d’information entre les terminaux.

Le niveau physique sera également étudié en détail :

• Composants reconfigurables : Il est nécessaire d’étendre la notion de radio logicielle au contexte de radio cognitive.

• Gestion du spectre interfaces radio : des interfaces radio spécifiques, permettant d’améliorer les capacités de gestion du spectre des terminaux.

• Filtrage : Le développement de terminaux opportuniste impose des contraintes toutes particulières sur le filtrage.

• Politiques de routage

2) Innovations technologiques

Pour fonctionner, les systèmes basés sur une utilisation opportuniste du spectre, devront disposer de nouveaux outils, qui doivent être développés afin de connaître l’environnement spectral et de conformer le système aux nouveaux critères à optimiser (ne pas interférer avec les autres systèmes tout en offrant une QoS, mécanismes d’allocation agile des ressources,…).

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En effet la radio cognitive nécessite d’être équipée :

• de systèmes pour sonder la ressource fréquentielle,

o en première approche afin de d’évaluer si la ressource est utilisée (de façon analogique ou numérique),

o en seconde approche, identifier le type de communication utilisé

Evaluer si une ressource fréquentielle est libre ou non peut être relativement aisé pour des modulations analogiques ou bandes étroites mais devient plus complexe dans le cas de modulations numériques qui peuvent être étalées. Dans ce cas, l’estimation des paramètres techniques des modulations nécessite de recourir à des solutions aveugles. Dans ce cadre, un large éventail de solutions pourra être analysé ainsi que l’impact sur la couche physique.

Cette fonction de reconnaissance du spectre peut être déportée au niveau du récepteur (partie analogique) soit en utilisant une seconde voie de moins bonne qualité soit en utilisant la même voie et des méthodes particulières liées à la connaissance du signal reçu.

• de mécanismes protocolaires

o pour allouer les ressources exploitables

o évaluer les interférences générées et subies par la radio opportuniste

Dans ce contexte de radio cognitive/opportuniste, différents critères peuvent être optimisés afin de gérer le lien radio. Il est ainsi possible de ne permettre l’utilisation de ces concepts qu’au prix d’une dégradation infime des autres systèmes utilisant la même ressource radio. Ceci nécessite une interaction entre la couche physique et les couches supérieures pour gérer au mieux les interférences générées et au besoin interrompre le lien en cas d’émission prioritaire par un autre système. Dans ce contexte différentes voies sont à explorer en fonction de la connaissance de l’occupation fréquentielle.

A une échelle plus importante, il est nécessaire de connaître l’environnement radiofréquence sur la portée du lien radio. Ainsi, il est envisageable que la radio cognitive couvre des régions importantes dans lesquelles d’autres systèmes de couverture plus modestes (et donc de puissances inférieures) ne sont pas détectés par les extrémités du lien (émetteur-récepteur). Dans ce cas, il est nécessaire que le système puisse obtenir cette information par un autre moyen, par exemple via d’autres radios cognitives en portée.

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• des couches physiques robustes :

o aux interférences (détection par le récepteur ou le modem)

o aux changements de ressource

o à l’agilité requise de la couche physique

Afin de garantir le maximum de souplesse à la radio cognitive, la couche physique doit être pensée afin de s’adapter à son environnement (canal radio, interférences, …). Ainsi, des couches physiques robustes à des excisions dans la bande utile (à la fois à l’émission et a la réception) doivent être imaginées pour permettre l’utilisation « au plus près » de la ressource disponible. De même, il serait opportun que le la couche physique soit en mesure de remonter des paramètres de métrologie de type apparition d’une émission concurrente (localisation temps-fréquence), évaluation du rapport signal à bruit et interférences, … A ces fins, il est nécessaire que le système soit robuste en termes de synchronisation et d’estimation de canal/interférence pour proposer des informations pertinentes.

Pour garantir la robustesse du modem, différents axes d’optimisation sont envisageables tels que les performances du système de codage, d’entrelacement (avec connaissance a priori des bandes/sous-bandes brouillées), de modulation (OFDM, OFDM-A, modem mono-porteuse, égalisation spectrale,..). Des solutions de dérive du modem de façon non coopérative peuvent être envisagées, reposant sur les performances des estimateurs (synchronisation temps-fréquence, largeur de bande,…)

Les contraintes d’implémentation ne peuvent être négligées lors de l’établissement et de l’évaluation de capacité des radios opportunistes. En effet, il s’agit, selon cette approche d’aller plus loin que le concept de software radio. L’agilité du terminal doit être améliorée en termes de largeur de bande passante, de forme d’onde mais surtout en rapidité. Cette performance ne pourra être obtenue qu’au prix d’une optimisation prenant en compte toutes les couches du système et en effectuant un co-design de l’ensemble des composantes : antenne/radio/bande de base/algorithme. Enfin, la mise au point d’un « front-end sensing » basse consommation permettrait un fonctionnement simultané du sondage de spectre et de la communication, permettant la mise en place d’une quantité de capacités importantes de gestion du spectre.

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II/ Architecture

L'architecture est un ensemble cohérent de règles de conception par laquelle un ensemble spécifique de composants réalise une série de fonctions. Nous allons traiter dans cette partie l’architecture d’une radio cognitive, dans laquelle des SDR, des capteurs… seront intégrés pour créer une meilleure qualité d’information (QoI) et développer des capacités à observer, orienter, planifier, décider, agir et apprendre l’environnement de l’utilisateur et les ressources fréquentielles.

1) Les composants fonctionnels de l’architecture.

The CRA augments SDR with computational intelligence.

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On peut observer dans la figure ci-dessus des composants SDR avec des composants cognitifs. Ces composants cognitifs décrivent le SDR en radio XML ; ainsi le système que c'est une radio et que son objectif est d'atteindre de hautes QoI adaptées à ses propres utilisateurs. RXML délivre aussi bien la radio que des connaissances dynamiques telles que les scènes de l'espace et du temps perçues et vécues. Ces connaissances permettent aux deux structures d’avoir un raisonnement structuré tout en acquérant de l'expérience. Le SDR inclut une plate-forme matérielle avec un accès aux fréquences radioélectriques et des ressources informatiques. Le forum SDR a défini une architecture de logiciels de communications (SCA) et l'Object Management Group (OMG) a défini une architecture de logiciels Radio (SRA), semblable à l’architecture des constructions pour la prochaine génération « plug and play ». Ces architectures de SDR sont définies en modèle UML (Unified Modeling Language), IDL (CORBA Interface Definition Language) et XML. La SCA se focalise sur le « plug-and-play » sans fil où la connectivité réseau est souvent intermittent, au mieux, sur des nœuds mobiles capables de calculs, tandis que le SRA est axé sur la mise en œuvre du Web sans fil. D’autre part la communauté commerciale des téléphones cellulaires, conduit par Ericsson et Nokia, envisage une architecture beaucoup plus simple pour les dispositifs mobiles sans fil, composé de deux API, une pour le fournisseur de services et une autre pour l'opérateur de réseau. Ils définissent un plan de la connaissance dans les futurs réseaux sans fil intelligents. Leur « Wireless World Research Forum (WWRF) » définit le modèle d'activité de : l'utilisateur → fournisseur de services → opérateur réseau → grand fabricant → périphérique, où l'utilisateur achète des appareils mobiles compatibles avec les services d'un prestataire de services et l'emphase technique est dans l’intelligence du réseau. Cette stratégie permettra sans aucun doute l’arrivée des réseaux intelligents de calculs dans le proche ou moyen terme. La CRA mis au point prévoit cependant l’intelligence de calcul pour créer des réseaux ad hoc à faible coût avec l’intelligence dans l'appareil mobile. Cette technique permet le modèle d'activité suivant : utilisateur → appareil → réseaux hétérogènes, typique du modèle de l'Internet où l'utilisateur achète un appareil (par exemple, un ordinateur portable sans fil) qui peut se connecter sans fil sur le World Wide Web via n'importe quel fournisseur de services Internet (ISP ). La CRA s'appuie à la fois sur le SCA / SRA et le modèle commercial de l'API mais aussi intègre l’intelligence web sémantique dans la Radio XML pour les appareils mobiles afin de permettre plus qu'un modèle d'affaires Internet. SDR, AACR, et iCR forment un continuum facilité par RXML.

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Un nœud AACR est composé d’une série minimaliste de 6 composantes fonctionnelles. Un élément fonctionnel est une boîte noire à laquelle des fonctions ont été attribuées, mais pour laquelle la mise en œuvre des composants n’est pas précisée. Ainsi, bien que les applications de ces composants soient susceptibles d'être principalement de type logiciel, les détails de ces composants logiciels ne sont pas précisés.

Minimal AACR node architecture.

Les six composantes fonctionnelles CRA sont: 1. La perception sensorielle de l'utilisateur qui inclut l'interface haptique (du toucher), acoustique, la vidéo et les fonctions de détection et de la perception. Les fonctions SP de l’utilisateur peuvent inclure un matériel optimisé, par exemple, pour calculer les vecteurs de flux vidéo en temps réel pour aider la perception d’une scène. 2. Les capteurs de l'environnement local (emplacement, la température, l'accéléromètre, compas, etc.) 3. Les applications système (les services médias indépendants comme un jeu en réseau). 4. Les fonctions SDR (qui incluent la détection RF et les applications radio de la SDR). 5. Les fonctions de la cognition (pour les systèmes de contrôle, de planification, de l'apprentissage). 6. Les fonctions locales effectrices (synthèse de la parole, du texte, des graphiques et des affiches multimédias).

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Ces éléments fonctionnels sont implémentés sur une plate-forme radio cognitive ; une infrastructure matériel-logiciel supporte les six fonctions. Ces éléments vont au-delà de la SDR. Tout d'abord, la traditionnelle interface utilisateur est divisée en un grand sous système sensoriel et un sous-ensemble distinct d’effecteurs locaux. L'interface utilisateur comprend des boutons sensoriels (l'interface haptique) et des micros (l'interface audio) pour y inclure la détection acoustique qui est directionnelle, capable de traiter simultanément de multiples intervenants et notamment avec la video plein mouvement pour la perception visuelle d’une scène. De plus, le sous système audio n'est pas simplement un encodeur audio pour la transmission, mais aussi il analyse et interprète le son provenant des haut-parleurs pour une haute performance de l’interface du langage naturel parlé. De même, le sous système texte analyse et interprète le langage pour suivre l’état de l’information de l'utilisateur, en détectant discrètement des plans et des besoins potentiels de communication et d'information, et de façon sécurisée pour protéger les informations personnelles de l'utilisateur qui effectue des activités normales. Les effecteurs synthétisent les discours avec du texte, des graphiques et des affiches multimédias. Généralement, les communications vocales avec un annuaire téléphonique, la messagerie texte et l'échange de photos ou des clips vidéo correspondent aux principales applications pour les systèmes SDR. Les applications de l’AACR vont au-delà des services offerts par les systèmes SDR pour une plus grande flexibilité personnelle et le choix de la connectivité sans fil. L'utilisateur pourrait contrôler le passage de l’AACR d’un réseau à un autre en fonction du coût de la connexion. 2) Le cycle de cognition La composante cognitive de la CRA comprend une organisation temporelle, des flux d'inférences et des états de contrôle. Le cycle de cognition mis en œuvre en Java est illustré dans la figure suivante. Ce cycle synthétise la composante de cognition de la CRA de manière évidente. Les stimuli entrent dans la radio cognitive comme des interruptions sensorielles envoyées sur le cycle de la cognition pour une réponse. Une telle radio cognitive observe l'environnement, s’oriente elle-même, crée des plans, décide, et puis agit. Dans un système d'inférence à un seul processeur, le flux radio cognitif de contrôle se déplace dans le cycle de l'observation à l'action. Dans un système multiprocesseur, les structures temporelles de détection, de prétraitement, de raisonnement et d’action peuvent être plus parallèle. Ce processus est appelé le « wake-epoch » parce que le raisonnement durant ce temps est réactif à l'environnement. Il peut aussi y avoir « sleep-epoch » pour un raisonnement introspectif et le « prayer-epoch » pour demander de l'aide à une autorité supérieure. Pendant le « wake-epoch », la réception d'un nouveau stimulus des capteurs radio cognitifs ou l'achèvement d'un cycle antérieur entame un nouveau cycle de cognition.

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Cycle de cognition simplifié.

2-1/ La phase d’observation (détecter et percevoir) La radio cognitive observe son environnement par l'analyse du flux de stimuli entrant. Cela peut inclure la surveillance de conversion audio-texte des diffusions radios (par exemple, la chaîne météo). Dans la phase d'observation, la radio cognitive associe l’emplacement, la température, le niveau de lumière des capteurs, et ainsi de suite pour en déduire le contexte de communication. Cette phase lie ces stimuli à des expériences antérieures pour discerner les modèles au fil du temps. La radio cognitive rassemble les expériences en se souvenant de tout. Toutes les audio, tous les e-mails, et toutes les situations radio que quelqu’un pourrait expérimenter en une année occupe quelques centaines de giga-octets d'espace, selon le détail conservé. L'architecture de calcul pour mémoriser et corréler rapidement les expériences actuelles avec tout ce qui est connu avant est donc une base de la capacité de l'ARC. La phase d’observation englobe l'Utilisateur SP, l'environnement, et le traitement des capteurs radiofréquences de la SDR et de la CRA.

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2-2/ La phase d’orientation La phase d'orientation détermine l'importance d'une observation en liant à celle-ci une série connue de stimuli. Cette phase fonctionne à l'intérieur des structures de données qui sont analogues à la mémoire à court terme (STM), que les gens emploient pour s’engager dans un dialogue sans forcément se souvenir de tout à la même mesure que dans la mémoire à long terme. Le milieu naturel fournit la redondance nécessaire pour lancer le transfert de la STM à la mémoire à long terme (LTM). Dans la CRA, le transfert de la STM à LTM est fait par le cycle du sommeil dans lequel le contenu de la STM depuis le dernier cycle de sommeil est analysé. La correspondance entre les stimuli courants et les expériences stockées se fait par reconnaissance des stimuli ou par reliure. La reconnaissance des stimuli se produit quand il ya une correspondance exacte entre un stimulus courant et une expérience antérieure. La réaction peut être appropriée ou dans l'erreur. Chaque stimulus est situé dans un contexte plus large, qui inclut d'autres stimuli et les états internes, y compris le temps. Parfois, la phase d'orientation provoque une action qui sera lancé immédiatement comme un comportement réactif « stimulus-réponse ». Une panne d'électricité, par exemple, peut directement invoquer un acte qui sauve les données (le chemin « immédiat » de la phase Action sur la figure). Une perte de signal sur un réseau peut invoquer une réaffectation de ressources. Cela peut être accompli via la voie marquée «urgentes» dans la figure. La liaison se produit quand il y a une correspondance exacte entre une série de stimuli courants et une expérience antérieure et des critères très généraux d'application de l'expérience antérieure à la situation actuelle sont respectés. Les liaisons déterminent aussi les priorités associées aux stimuli. 2-3/ La phase de planification La plupart des stimuli sont traités avec délibérative plutôt qu’avec réactivité. Un message entrant du réseau serait normalement traité par la génération d'un plan (dans la phase de plan, la voie normale). Dans la recherche de qualité et de solidité industrielle des radios cognitives, les modèles formels de la causalité seraient intégrés dans les outils de planification. Le plan devrait également inclure la phase de raisonnement dans le temps. Généralement, les réponses réactives sont préprogrammées ou apprises en étant dit, tandis que d'autres réactions de délibération sont prévues. Des outils de planification comme l’OPRS (Open source planning Tools) peuvent être intégrés dans la phase de planification. Des outils de planification permettent la synthèse de radiofréquences et des comportements d'accès à l'information dans le but d’atteindre un objectif basé sur les perceptions, les règles d’architectures radio, et les préférences de l'utilisateur appris auparavant.

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2-4/ La phase de décision La phase de décision sélectionne parmi les plans candidats. La radio peut alerter l'utilisateur d’un message entrant (exemple : paging) ou reporter l'interruption à plus tard (par exemple, se comporter comme une secrétaire qui filtre les appels pendant une réunion importante) en fonction des niveaux de QoI statués dans cette phase. 2-5/ La phase de l’action Cette phase lance les processus sélectionnés qui utilisent les effecteurs sélectionnés qui accèdent au monde extérieur ou aux états internes de la radio cognitive. L'accès au monde extérieur consiste principalement à composer des messages qui doivent être envoyés dans l'environnement en audio ou exprimés dans différents langages, texte, RXML… appropriés. Les actions sur les états internes comprennent le contrôle de ressources telles que les canaux radio. Une action radio cognitive peut également actualiser les modèles internes, par exemple, l'ajout de nouveaux modèles aux modèles internes existants. Une expérience peut être activement intégrée dans les structures de connaissances RXML. L'acquisition de connaissances pourrait être achevée par une action qui crée les structures de données appropriées. 2-6/ La phase d’apprentissage L’apprentissage dépend de la perception, des observations, des décisions et des actions. L'apprentissage initial est réalisé à travers la phase d’observation dans laquelle toutes les perceptions sensorielles sont continuellement comparées à l'ensemble de l'expérience antérieure pour continuellement compter les événements et se souvenir du temps écoulé depuis le dernier événement. L'apprentissage peut se produire quand un nouveau modèle est créé en réponse à une action. Par exemple, les états internes antérieurs et courants peuvent être comparés avec les attentes pour en apprendre davantage sur l'efficacité d'un mode de communication.

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III/ Applications de la Radio cognitive

Les applications sont souvent incluses dans la définition de la radio cognitive en raison du caractère impérieux et des applications uniques offertes par la radio cognitive. En outre, il existe de nombreuses techniques de radio logicielle que la radio cognitive est censé améliorée. Cette partie passe en revue les éléments suivants souvent préconisé applications de la radio cognitive :

-Amélioration de l'efficacité spectrale ; -Amélioration de la fiabilité du lien radio ; -Topologie avancée du réseau ; -Techniques de collaboration; -Automatisation de la gestion des ressources radio.

1) Amélioration de l'efficacité spectrale

Les technologies sans fil et les périphériques sans fil se sont multipliés de façon spectaculaire au cours de cette dernière décennie avec l’accroissement de la demande de spectre électromagnétique. En raison de l'approche actuelle de l'accès au spectre, l'offre n'a pas suivi la demande, ce qui conduit à l'apparition de la rareté du spectre électromagnétique. Dans une étude récente, les chercheurs de l'Université du Kansas ont trouvé un moyen d’occupation du spectre de 5,2% avec un maximum d'occupation de 13,2% dans la ville de New York. Comme exemple de variations de la demande, la figure 1 montre une représentation des mesures spectrales effectuées sous Matlab en Allemagne en large bande. Comme l'illustre la figure, il existe une variation importante du spectre sous-utilisé en temps et en fréquence, et bien que n'étant pas représenté, il existe également d'importantes variations en termes d'emplacement.

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Capture d’une chaîne de mesure en Allemagne [Jondral_04]

Pour améliorer l’efficacité spectrale, l’utilisation opportuniste du spectre a été proposée permettant aux dispositifs d’occuper le spectre qui a été laissé vacant. Un exemple d’utilisation opportuniste du spectre est illustré à la figure 2.

Dans la figure 2.a, une paire de signaux porteurs transmis est présente en basse fréquence tandis qu'un système d'accès aléatoire et un système TDMA sont utilisés en haute fréquence. Après avoir observé le spectre, il apparaît, en temps et en fréquence, des endroits où le spectre est sous utilisé. En revanche, des dispositifs opportunistes pourraient combler ces trous par des services simultanés comme illustré dans la figure 2.b

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Figure 2.a

Figure 2.b

La radio cognitive qui emploie le spectre opportuniste a été présentée pour fournir un gain de 10 la capacité par la mise en œuvre d'algorithmes de sélection dynamique des fréquences. Bien sûr, l'utilisation opportuniste du spectre présente des défis importants à la réglementation technique. Les dispositifs plus autonome doivent être en mesure de régler certains problèmes, l'accès opportuniste du spectre lorsqu'elle fonctionne bien devrait être en mesure d'éviter toute interférence avec d’autres signaux. Dans une certaine mesure, les systèmes devront être capables de fonctionner sur de multiples échelles de temps, ce qui impliquerait un contrôle des processus cognitifs.

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2) Amélioration de la fiabilité du lien

Après l'amélioration du spectre, le second aspect le plus souvent abordé dans les discussions applicatives de la radio cognitive est d'améliorer la fiabilité de lien. De nombreuses radios adaptatives actuels permettent d'améliorer la fiabilité de lien par l'adaptation des niveaux de puissance de transmission, par la modulation ou par la correction d'erreurs. Toutefois, une radio cognitive qui est capable de se souvenir et d’apprendre à partir de ses expériences précédentes peut aller au-delà de ces simples adaptations.

La figure suivante illustre un chemin suivi par un abonné mobile quand il commute vers une zone où la qualité du signal chute à un niveau inacceptable (montré en rouge) en raison d'un écart de la couverture. Après plusieurs incidents, la radio cognitive deviendrait être consciente de ce problème. Ensuite, par le biais de certains géo-localisation ou de la capacité d'apprentissage de l'heure de la journée où cela se produit, la radio pouvait anticiper l'écart de la couverture et savoir le signal nécessaire à la station de base pour modifier les caractéristiques des signaux quand l'utilisateur s'approche de la couverture déficitaire.

Good Transitional Poor

Qualité du Signal associée à une radio cognitive

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3) Topologie avancée du réseau

Les points d'accès ou les stations de base d’un réseau n'ont pas à maintenir des liaisons directes à des zones plus éloignées des cellules. En effet, chaque station de base ne doit être en mesure de parvenir à des abonnés les plus proches alors que les équipements plus loin de la station de base ont un accès en communiquant par le biais d'une séquence de dispositifs intermédiaires pour atteindre la station. Comme l'illustre la figure ci-dessous, dans un Ad-hoc la distance moyenne de propagation pour chaque lien est beaucoup plus courte que ce serait le cas pour une topologie en étoile avec le même nombre de stations de base. Les courtes longueurs de propagation signifient qu'une plus grande efficacité spectrale peut être atteinte, ce qui conduirait à un gain de jusqu'à 30 dB de la capacité du système.

Star and Ad-hoc Topologies

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Si le déploiement et les avantages ne sont pas intrinsèques, les réseaux Ad-hoc nécessiterait l'utilisation de la radio cognitive.

La radio cognitive peut être considérée comme une technologie habilitante. Pour qu’un réseau Ad-hoc opère avec succès, deux critères doivent être satisfaits. Tout d'abord, une forte densité de nœud doit être présente pour permettre l'utilisation d'une faible consommation d'énergie des liens. En général, plus les dispositifs du réseau sont denses, plus la capacité théorique de l’Ad-hoc est importante.

Enfin, les dispositifs doivent être capables de supporter le routage dynamique et le lien de maintenance requis pour assurer la connectivité au réseau. Ainsi donc, les radios cognitives peuvent être utilisées pour augmenter significativement la bande passante utilisable et pour de diminuer le coût des dispositifs qui implique, ce qui impliquerait une plus grande densité de périphérique. Pour le deuxième critère, l'environnement et la sensibilisation du dispositif implicite à une radio cognitive faciliterait la mise en œuvre d’algorithmes nécessaires pour appuyer les réseaux Ad-hoc par un lien de routage.

4) Les techniques de collaboration

Une collaboration radio est une radio qui tire les services d'autres radios pour faire avancer ses objectifs ou les objectifs des réseaux. Comme présenté dans la section précédente, la radio de collaboration peut être considérée comme une application de la radio cognitive.

La radio cognitive peut être considérée comme un facteur de développement de la radio de collaboration en simplifiant les processus cognitifs à l'identification des partenaires potentiels et l'observation des processus intelligente facilite l'insertion de capteurs distribués. Dans une chaîne de relais, la radio sert d'intermédiaire dans le chemin entre le client et le dispositif d'accès. En général, ce processus peut être mis en œuvre au nœud de relais et d'expédition en amplifiant le signal reçu ou par le décodage et la transmission du signal. Dans le premier cas, la complexité radio est relativement faible puisque le signal n'a pas besoin d'être reçu. Dans le second, cette complexité est généralement beaucoup plus élevée que le relais a complètement reçu le signal transmis.

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• Une gamme d’antennes distribuées Bien sûr il y aura des situations où un groupe d'abonnés est hors de portée d'un nœud d'accès et aucun dispositif ne sera placé assez bien pour servir de relais de nœud. Dans cette forme de collaboration, le dispositif de l’abonné permettra une portée effective qui peut augmenter de façon spectaculaire et aller assez loin pour parvenir à un point d'accès. En raison de l'espacement des appareils, il semble que le « beamforming » sera facilement utilisée pour une demande de collaboration radio, mais la diversité des applications devrait être utilisable. Par exemple, deux applications de diversité basée sur la collaboration des antennes sont illustrées à la figure ci-dessous. La diversité dans un simple schéma d'un certain nombre de radios pu coordonner récepteur ou de transmettre le même signal réalisant ainsi transmettre ou recevoir un algorithme de la diversité. Avec un peu de coordination supplémentaire, ces mêmes collaborateurs radios pourraient mettre en œuvre un algorithme en MIMO, MISO, ou SIMO selon le contexte opérationnel.

Possibilité de gamme d’antennes distribuées

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5) Automatisation de la gestion des ressources Radio

Après avoir déployé un réseau sans fil, les ingénieurs radio passent généralement quelques semaines, de régler la radio paramètres pour tirer le meilleur parti d'un réseau. Chaînes allocations entre secteurs, appelez baisse des seuils, les niveaux de puissance, les horloges, les types d'antenne et de nombreux autres paramètres sont ajustés pour améliorer les performances du réseau basé sur des mesures après le déploiement. Avec le nombre croissant de réseaux sans fil et le mouvement de centralisation des fournisseurs de services, la nécessité d'optimiser les réseaux sans fil devienne de plus en plus importante, mais il sera impossible à accomplir dans les maisons ou dans les réseaux déployés rapidement.

Par exemple, Virginia Tech a passé des mois à planifier soigneusement et à vérifier le déploiement de son réseau local sans fil afin de maximiser la couverture avec une capacité de niveau acceptable. En raison de sa capacité à observer et à apprendre comment améliorer leurs performances, la radio cognitive pourrait prendre en charge la tâche de réglage post-déploiement et d'actualiser automatiquement les paramètres radio, afin de mieux répondre aux besoins de la mission. Une telle demande aurait une incidence importante sur les réseaux déployés rapidement, dans les réseaux locaux sans fil à domicile (WLAN) et fixerait les infrastructures commerciales, où la radio cognitive devrait être en mesure de réduire la demande d’ingénierie post-déploiement.

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CONCLUSION

En tenant compte des standards radios existants ou émergents, on peut constater que dans un même environnement, pourraient se trouver, dans une situation de coexistence, différentes interfaces radio (UMTS, GSM/GPRS, WIFI, WIMAX…) qui offrent une variété de services. D’un point de vue opérateur, une gestion optimisée du spectre s’impose pour pouvoir tirer le maximum profit de la bande passante globale disponible.

La radio cognitive est une technologie émergente récemment proposée pour mettre en œuvre une certaine forme d'intelligence permettant à un terminal d’avoir des capacités d’apprentissage : « sentir » l’environnement radio du terminal et s’y adapter. Cela offre aux utilisateurs un débit et une QoS accrus, globalement une augmentation du confort dans leurs communications.

Le développement de terminaux agiles en fréquence qui seraient capables de sentir les « trous » dans le spectre (plus exactement définis comme une disponibilité de fréquences en fonction des éléments de compatibilité des systèmes existants et nouveaux) et d’adapter leurs caractéristiques de transmission pour utiliser ces « trous » pourrait fournir un outil pour optimiser l'utilisation du spectre.. Une telle adaptation à l’environnement radio peut être exploitée bien au delà de la simple exploration du spectre et du partage des ressources spectrales.

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GLOSSAIRE

RF: Radio Frequency QoI: Quality of Information SDR: Software-Define Radio (radio logicielle) CRA: Cognitive Radio Architecture RXML: Radio XML API: Applications-Programmer Interfaces SRA: Software Radio Architecture SCA: Software Communications Architecture AACR: Adaptative Aware Cognitive Radio iCR: ideal Cognitive radio SP: Sensorial Perception STM: Short Term Memory LTM: Long Term Memory

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REFERENCES

[1] J. Mitola, Cognitive Radio Architecture: The Engineering Foundations of

Radio XML , Wiley 2006, Hardcover, 473 pages

[2] H.-H. Chen, M. Guizani, Next Generation Wireless Systems and Networks, Wiley 2006, Hardcover, 512 pages

[3] Federal Communications Commission, Cognitive Radio

TechnologiesProceeding (CRTP), http://www.fcc.gov/oet/cognitiveradio/.

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Cognitive_radio

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