Écoute spectrale en temps réel

La radio tactique idéale

Une radio tactique idéale (ou un système de communication tactique idéal) est utilisée par ou en support aux forces de l’ordre ou à l’armée. Tout comme la RC idéale, elle est conçue pour prendre des décisions d’elle-même afin de modifier son comportement pour s’adapter aux conditions d’utilisation. Une stratégie commune est définie pour l’ensemble des radios tactiques du système de communication. Cette stratégie assigne à chacune d’elles son rôle, sa place dans le système de communication ainsi que ses limites d’opération. La stratégie prévoit nécessairement la coordination, le degré de subordination et les tactiques utilisées par les radios. De plus, la radio tactique doit assurer une communication sécurisée, fiable et rapide pour tous les types de communications que ce soit audio, vidéo ou de données. Idéalement, une radio tactique est facile et rapide à déployer compte tenu des délocalisations fréquentes ou des vies humaines en jeu.

Détecteur à filtres adaptés

Proakis démontre que le récepteur optimal pour un signal connu se propageant dans un canal à bruit blanc gaussien (« additive white Gaussian noise »(AWGN)) est obtenu à l’aide d’un récepteur avec un filtre adapté au signal suivi d’un test du maximum de vraisemblance.
Tandra et Sahai démontrent dans [50] que ce type de détecteur permet la détection de signaux dans un laps de temps plus court que tous les autres détecteurs. On y apprend également que le nombre d’échantillons nécessaire à l’obtention d’une probabilité déterminée de non-détection et de fausse détection est inversement proportionnel au rapport signal sur bruit de l’ordre de O(1/SNR). L’inconvénient majeur de cette méthode réside dans la nécessité de connaître les caractéristiques du signal comme le type et l’ordre de la modulation, la largeur de bande et les fréquences d’opération des signaux qui doivent être détectés. Un filtre adapté est nécessaire par signal. Cela a comme conséquence qu’un détecteur de ce type doit posséder une banque de filtres contenant le même nombre de filtres adaptés que de signaux différents à détecter.
De plus, le récepteur doit démoduler complètement tous les signaux pour ensuite estimer le rapport de maximum de vraisemblance pour vérifier la présence du signal. Cela fait en sorte que les dimensions, la quantité de composantes matérielles et l’énergie nécessaire au récepteur augmentent rapidement en fonction du nombre de signaux à détecter.

Écoute spectrale « hors ligne »

L’écoute « hors ligne » est une extension de l’écoute en temps réel. Ce qui définit l’écoute « hors ligne » est la quantité de temps disponible pour réaliser son écoute et l’abondante disponibilité des ressources matérielles. En effet, elle a peu de restriction quant au temps nécessaire pour le traitement des données. Elle peut, par exemple, passer plusieurs heures à analyser le spectre de fréquences afin de retirer une bande de fréquence qu’elle juge dommageable pour la survie de la liaison radio. Par conséquent, cette écoute n’influence pas aussi rapidement la communication que l’écoute en temps réel peut le faire. Les ressources matérielles disponibles y sont plus abondantes, plus facilement accessibles et plus variées. Cela permet d’utiliser des algorithmes plus complexes, de combiner les résultats, d’analyser statistiquement les données ou d’effectuer tout autre processus demandant du temps ou un effort de calculs important. Les décisions et actions prises à la suite d’une écoute « hors ligne », surtout lorsque les résultats de l’écoute sont utilisés conjointement avec d’autres types de données, sont de celles que l’on prend généralement au niveau du système comme l’exclusion ou la réintroduction de bandes de fréquences, le changement de paramètres de la communication, la direction des liens radio, la réorganisation du réseau, etc

Stratégie d’écoute : concept, prérequis et algorithme

La stratégie d’écoute se fera pour un duplexage de type TDD. L’idée maîtresse est que la radio qui reçoit est la mieux placée pour déterminer sur quelles fréquences recevoir le signal. C’est donc la radio réceptrice qui écoute et analyse le spectre de fréquences pour évaluer la qualité des bandes de réception. Advenant le cas où la bande de fréquence qu’elle convoite est bruitée ou occupée par un utilisateur légitime, elle doit trouver une bande de fréquences de remplacement et la communiquer à la radio émettrice.
Cela peut être réalisé dans la radio décrite sans modification majeure à l’architecture ou au protocole de communication. Certaines conditions doivent toutefois être remplies. Tout d’abord, il doit y avoir le même nombre de sauts de fréquence en transmission qu’en réception. La raison de  cette contrainte est due à la méthode de décision. La méthode choisit la sous-bande à utiliser en fonction des données reçues lors de chaque saut selon un vote à majorité simple. La robustesse de la sélection repose sur un nombre suffisant de données reçues. S’il n’y a pas le même nombre de sauts, la robustesse de la décision ne sera pas la même pour les deux liaisons. Ce nombre pourrait changer entre chaque séquence de transmission-réception, mais elle est tenue constante dans la stratégie décrite ici. Les radios doivent avoir une séquence de fréquence de transmission initiale (plan de fréquence) connue par les radios impliquées dans une liaison point à point.

Taux d’occupation de la bande et ratio entre interférences fixes et aléatoires

Le taux d’occupation de la bande est la somme des largeurs de bande de toutes les interférences (fixe et aléatoire) par rapport à la largeur de la plage de fréquence d’opération. Pour cette simulation, nous avons utilisé une largeur de bande observée égale à 32 MHz, une plage de fréquence d’opération de 400 MHz, une largeur de bande du signal de 6 MHz, un nombre de sous-bandes égales à 7 et un nombre de sauts par trame de 5.

On observe le ratio entre le nombre de sauts brouillés et manqués et le nombre de sauts total simulé. On considère un signal brouillé si le début du saut est brouillé ou si plus de 10 % du saut est brouillé par des interférences qui occupent au moins 10% de la largeur de bande ou que l’énergie des interférences dans la bande du signal présente un ratio signal à interférence de -3 dB. Un saut est considéré comme manqué lorsque les fréquences d’opération du transmetteur et du récepteur diffèrent

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 LA RADIO TACTIQUE ET LA RADIO COGNITIVE 
1.1 La radio cognitive 
1.1.1 La radio de Mitola
1.1.2 L’observation et la détection dans la radio cognitive
1.2 Définition du contexte d’utilisation de la radio 
1.2.1 La radio tactique idéale
1.2.2 Situation de conflit
1.2.3 Situation de crise ou de catastrophe
1.3 Caractéristiques et limitations de la recherche 
1.3.1 Degré de cognition
1.3.2 Focus sur l’écoute et la détection de signaux
1.3.3 Architecture et caractéristiques de la radio tactique
CHAPITRE 2 ÉCOUTE ET DÉTECTION DES SIGNAUX 
2.1 Défis de la détection de signaux 
2.1.1 Exigence matérielle
2.1.2 Durée et fréquence de l’écoute
2.1.3 Sécurité
2.2 Concepts de la détection de signaux
2.3 Détecteur
2.3.1 Détecteur à filtres adaptés
2.3.2 Détecteur d’énergie
2.3.3 Détecteur par autocorrélation
2.3.4 Détecteur de propriétés cyclostationnaires
2.3.5 Résumé et comparatif des détecteurs présentés
CHAPITRE 3 ARCHITECTURE, PROTOCOLE ET ÉCOUTE SPECTRALE
3.1 Architecture de la radio 
3.2 Mode de duplexage
3.2.1 Duplexage par répartition en fréquence (FDD)
3.2.2 Duplexage par répartition dans le temps (TDD)
3.2.3 Étalement de spectre par saut de fréquence
3.2.4 Mode d’opération de la communication
3.3 Protocole de communications dans la radio
3.3.1 Considérations préalables
3.3.2 Détails des trames
3.4 Schémas d’écoute du spectre en fonction du mode de duplexage 
CHAPITRE 4 ÉCOUTE SPECTRALE EN TEMPS RÉEL 
4.1 Écoute spectrale en temps réel et « hors ligne » 
4.1.1 Écoute spectrale en temps réel
4.1.2 Écoute spectrale « hors ligne »
4.2 Scénario utilisé pour l’élaboration d’une écoute spectrale 
4.3 Choix du détecteur 
4.4 Écoute en temps réel pour une communication TDD 
4.4.1 Stratégie d’écoute : concept, prérequis et algorithme
4.4.2 Simulation de la stratégie d’écoute en temps réel
4.4.2.1 Paramètres évalués
4.4.2.2 Génération du bruit et des interférences
4.4.2.3 Génération du signal
4.4.2.4 Génération du plan temps-fréquence
4.4.2.5 Détection des interférences
4.4.2.6 Implémentation de l’algorithme
CHAPITRE 5 RÉSULTATS 
5.1 Taux d’occupation de la bande et ratio entre interférences fixes et aléatoires
5.2 Largeur de bande observée
5.3 Nombre de sous-bandes 
5.4 Nombre de sauts par trame
5.5 Résumé des résultats 
CONCLUSION

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