Soutenance mémoire
Réseaux de radio cognitive
Le concept de Radio Cognitive (RC) est apparu comme un nouveau paradigme en 1999 en tant que prolongement de la Radio Définie par Logiciel (RDL). Il décrit la situation dans laquelle les dispositifs radio intelligents et les entités de réseau associées se communiquent de telle manière qu’ils sont en mesure d’ajuster leurs paramètres de fonctionnement en fonction des besoins de l’utilisateur / du réseau et d’apprendre de l’expérience en même temps. Depuis, il y a eu beaucoup d’efforts dans le milieu de la recherche sur les sujets liés à la RC. Les activités de normalisation sur les systèmes de Radio Cognitive (SRC) (y compris TV WhiteSpaces-TVWS) ont également été lancées et ont progressé dans de nombreux organismes de normalisation. Presque tous les organismes de réglementation des États-Unis, d’Europe et de l’Asie et du Pacifique ont reconnu l’importance de SRC pour façonner la répartition du spectre. Les régulateurs comme FCC aux États-Unis et Ofcom au Royaume-Uni ont ouvert la voie à un accès secondaire à des appareils non autorisés sur des chaînes de télévision.
Enfin, la conférence mondiale de radiocommunication (WRC 2012) [2] témoigne des discussions sur les modifications réglementaires requises pour permettre l’introduction du SRC. Malgré tous ces progrès, la radio cognitive est principalement un sujet de recherche aujourd’hui, et le marché sans fil n’a pas encore vu un déploiement / exploitation commerciale massive de la technologie RC. La RC présentée par Mitola reste un concept futuriste où une connaissance omniprésente est intégrée dans tous les types de dispositifs / équipements / applications qui sont conscients de nos besoins / souhaits, les exécutant et rendant notre vie quotidienne plus facile [3]. La radio cognitive est une technologie clé qui pourrait révolutionner le monde des réseaux sans fil. Ces derniers jouissent continuellement d’une demande qui croît et qui engendre un important encombrement du spectre car l’efficacité de celui-ci est désormais mise en péril, la RC est le concept qui permet de répondre à ce défi ; mieux utiliser le spectre c’est aussi augmenter les débits et rendre plus fiable la couche physique.
Définition et principe
La RC est une forme de communication sans fil dans laquelle un émetteur/récepteur peut détecter intelligemment les canaux de communication qui sont en cours d’utilisation et ceux qui ne le sont pas, et peut se déplacer dans les canaux inutilisés. Ceci permet d’optimiser l’utilisation des fréquences radio disponibles du spectre tout en minimisant les interférences avec d’autres utilisateurs [1]. La radio cognitive est une nouvelle technologie qui permet, à l’aide d’une radio logicielle, de définir ou de modifier les paramètres de fonctionnement de la fréquence radio d’un noeud réseau (téléphone sans fil ou un point d’accès sans fil), comme par exemple, la gamme de fréquences, le type de modulation ou la puissance de sortie [5]. Cette capacité permet d’adapter chaque appareil aux conditions spectrales du moment et offre donc aux utilisateurs un accès plus souple, efficace et complet à cette ressource. Cette approche peut améliorer considérablement le débit des données et la portée des liaisons sans augmenter la bande passante ni la puissance de transmissions. La RC offre également une solution équilibrée au problème de l’encombrement du spectre en accordant d’abord l’usage prioritaire au propriétaire du spectre, puis en permettant à d’autres de se servir des portions inutilisées du spectre. Un réseau cognitif coordonne les transmissions suivant différentes bandes de fréquences et différentes technologies en exploitant les bandes disponibles à un instant donné et à un endroit donné. Il a besoin d’une station de base capable de travailler sur une large gamme de fréquences afin de reconnaître différents signaux présents dans le réseau et se reconfigurer intelligemment.
Radio logiciel
La radio logicielle est un ensemble de technologies pour définir les paramètres et les fonctions des émetteurs-récepteurs radio, y compris la fréquence des opérateurs, la bande passante de modulation, le codage des canaux et l’agilité fréquence / espace / temps / code. Dans les générations précédentes de systèmes de télécommunications, ces paramètres et fonctions étaient parfois sélectionnables, mais généralement définis par le matériel, avec une programmation programmée limitée au traitement du signal numérique en bande de base [6]. Après plusieurs années de développement un nouveau concept est apparu qui est la radio logicielle restreinte (software defined radio ou SDR), elle définit une collection de technologies matérielles et logicielles où certaines ou toutes les fonctions d’exploitation de la radio (également appelées traitement de couche physique) sont implémentées via un logiciel ou un microprogramme modifiable fonctionnant sur des technologies de traitement programmables. Ces dispositifs comprennent des tableaux de portes programmables sur site, des processeurs de signaux numériques, des processeurs à usage général ou d’autres processeurs programmables spécifiques à l’application. L’utilisation de ces technologies permet d’ajouter de nouvelles fonctions et capacités sans fil aux systèmes radio existants sans nécessiter de nouveau matériel.
Relation entre radio cognitive et radio logicielle restreinte
On s’attend à ce que les technologies de la radio logicielle restreinte et de la radio cognitive offrent une flexibilité supplémentaire et offrent une efficacité améliorée à l’utilisation globale du spectre. Ces technologies peuvent être combinées ou déployées de manière indépendante, et peuvent être mises en oeuvre dans des systèmes de tout service de radiocommunication, n’importe quel système utilisant des technologies de radio logicielle restreinte ou de radio cognitive doit fonctionner conformément aux dispositions du règlement des radiocommunications. Les systèmes de radio cognitive sont un domaine d’activité de recherche, et les applications sont en cours d’étude et d’essai. Les systèmes qui utilisent certaines fonctionnalités cognitives ont déjà été déployés, et certaines administrations autorisent ces systèmes (par exemple, la sélection dynamique de la fréquence). Ces administrations ont des processus nationaux d’approbation des équipements pour protéger les services existants contre les interférences nuisibles.
Un système radio mettant en oeuvre des technologies de radio cognitive peut cependant avoir un impact sur les pays voisins et une coordination peut être nécessaire. Lorsqu’il existe des applications dans lesquelles la technologie des systèmes radio cognitifs est implémentée sur une base de non-interférence et de non-protection, l’administration concernée devrait s’assurer que les interférences ne seront pas générées. La technologie radio logicielle restreinte fonctionne maintenant dans certains systèmes et réseaux dans les services mobiles, de radiodiffusion et de radiodiffusion par satellite, fixe et mobile par satellite. Elle offre une flexibilité dans la conception du système radio et peut aider à la compatibilité directe. La mise en oeuvre complète du concept de systèmes de radio logicielle restreinte et de systèmes de radio cognitive est susceptible d’être réalisée progressivement pour plusieurs raisons, y compris l’état actuel de la technologie. L’utilisation de ces technologies dans certains groupes peut poser des défis spécifiques et uniques de nature technique ou opérationnelle, qui doivent faire l’objet d’une évaluation attentive et complète de l’union international de télécommunication.
La programmation dynamique
La programmation dynamique a été initiée par Bellman en 1957 [15], elle s’appuie sur un principe simple, appelé le principe d’optimalité de Bellman : « Une politique optimale est formée de sous-politiques optimales ». Le mot politique désigne une séquence de décisions définissant une solution d’un problème d’optimisation. Concrètement, la programmation dynamique est une méthode utilisée pour résoudre des problèmes où une séquence de décisions optimale doit être trouvée. L’idée de base est que l’on peut déduire une ou la solution optimale d’un problème en combinant des solutions optimales d’une série de sous-problèmes consistant à choisir des séquences plus courtes de décisions. Les solutions des problèmes sont calculées de manière ascendante, c’est-à-dire qu’on débute par les solutions des sous-problèmes les plus petits pour ensuite déduire progressivement les solutions de l’ensemble [16]. La programmation dynamique est une approche d’optimisation qui transforme un problème complexe en une séquence de problèmes plus simples, sa caractéristique essentielle est la nature à plusieurs stades de la procédure d’optimisation.
En plus des techniques d’optimisation décrites précédemment, la programmation dynamique fournit un cadre général pour analyser de nombreux types de problèmes. Dans ce cadre, une variété de techniques d’optimisation peut être utilisée pour résoudre des aspects particuliers d’une formulation plus générale. Habituellement, la créativité est nécessaire avant de pouvoir reconnaître qu’un problème particulier peut être efficacement lancé en tant que programme dynamique, et souvent des idées subtiles sont nécessaires pour restructurer la formulation afin qu’elle puisse être résolue efficacement. La programmation dynamique est connue pour résoudre les problèmes les plus répandus comme le problème de sac à dos, la tour de Hanoi, le chemin le plus court par Dijkstra. La programmation dynamique peut être utilisée à la fois de haut en bas et de bas en haut. Et bien sûr, la plupart du temps, en se référant à la sortie de la solution précédente, il est moins coûteux que de recalculer en termes de cycles CPU. Dans le cadre de notre projet nous avons parallélisé un traitement basé sur la programmation dynamique en utilisant les threads.
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Table des matières
Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
GLOSSAIRE
Introduction Générale
Chapitre 1 : Réseaux de radio cognitive
1.1 Introduction
1.2 Historique
1.3 Définition et principe
1.4 Radio logiciel
1.5 Relation entre radio cognitive et radio logicielle restreinte
1.6 Architecture de la radio cognitive
1.7 Cycle de cognition
1.8 Réseaux de radio cognitive
1.8.1 Architecture des réseaux de radio cognitive
1.8.1.1 Réseau primaire
1.8.1.2 Réseau secondaire
1.8.2 Fonctions des réseaux de radio cognitive
1.8.2.1 Détection du spectre (Spectrum sensing)
1.8.2.2 Partage du spectre (Spectrum sharing)
1.8.2.3 Gestion du spectre (Spectrum management)
1.8.2.4 Mobilité du spectre (Spectrum mobility)
1.8.3 Domaines d’application des réseaux de radio cognitive
1.9 Conclusion
Chapitre 2 : Méthodes de résolution
2.1 Introduction
2.2 Les méthodes exactes
2.2.1 La programmation dynamique
2.3 Les méthodes approchées
2.3.1 Les heuristiques
2.3.2 Les métaheuristiques
2.3.2.1 Cuckoo search
2.3.2.2 L’algorithme Firefly
2.4 Conclusion
Chapitre 3 : Implémentation de l’application et évaluation des résultats
3.1 Introduction
3.2 La fonction objectif (fitness function)
3.3 Réalisation des algorithmes et résultats
3.3.1 La programmation dynamique
3.3.2 L’algorithme cuckoo search
3.3.2.1 Initialisation de la population
3.3.2.2 Génération de nouvelles solutions
3.3.2.3 Critère d’arrêt
3.3.3 L’algorithme Firefly
3.3.3.1 Génération de la population initiale
3.3.3.2 Classement
3.3.3.3 Déplacement et mise à jour
3.3.3.4 Critère d’arrêt
3.3.3.5 Paramétrage de l’algorithme firefly
3.4 Outils utilisés pour l’implémentation de l’application
3.4.1 NetBeans
3.4.2 Adobe Photoshop
3.4.3 JFreeChart
3.5 Présentation de l’application
3.6 Etude Comparative
3.6.1 Comparaison en termes de temps de traitement côté PU
3.6.2 Comparaison en termes de gain coté PU
3.6.3 Comparaison en termes de nombre de SU satisfaits
3.7 Conclusion
Conclusion générale
Références Bibliographiques
Résumé
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