Utilisation de la Radio Intelligente pour un Réseau Mobile à Faible Consommation d’Energie

La radio intelligente

Présentation L’objectif d’un système de radiocommunication est de transférer de l’information entre deux équipements distants. Cette communication va se faire dans un environnement donné en utilisant des paramètres spécifiques. Par exemple, si on considère une communication entre un téléphone mobile et une station de base, cette communication peut se faire en milieu rural, en milieu urbain, à l’intérieur d’un bâtiment, à l’arrêt ou pendant un déplacement … Elle va donc utiliser différents paramètres qui vont dépendre du type de communication et de cet environnement. Parmi ces paramètres, on va retrouver la puissance de transmission, la largeur de bande, ou encore la modulation. Dans la radio intelligente [3], au lieu d’utiliser des paramètres de communication fixes, ces équipements radio, qu’ils soient émetteurs ou récepteurs, ont la possibilité de se reconfigurer dans le but de s’adapter à un changement d’environnement ou à un changement des paramètres de communication. Le passage d’une communication inflexible à une communication dans laquelle les paramètres peuvent être modifiés est facilitée par la numérisation d’une grande partie des fonctions radios. C’est à dire le passage à une radio logicielle [10] dans laquelle la conversion analogique numérique doit se faire au plus près de l’antenne. Les performances des Convertisseurs Analogique-Numérique (CAN) et Numérique-Analogique (CNA) ne permettent pas de numériser une bande passante infinie, néanmoins, la radio intelligente peut être utilisée pour de nombreuses applications et dans différents contextes où les contraintes sont un peu restreintes.
Le cycle intelligent Dans une radio intelligente, les appareils radios doivent prendre des décisions. Comme dans n’importe quel système intelligent, cette prise de décision se fait en suivant le cycle intelligent [3] dont une version simplifiée est décrite sur la Figure 1.1. Ce cycle intelligent peut être décomposé en trois étapes principales : la captation d’information, la prise de décision et l’adaptation. Le rôle de chacune de ces étapes est le suivant :
— La captation de l’environnement consiste à récolter de l’information.
— Pendant la prise de décision, l’appareil décide quelle action il va faire. Cette décision s’appuie sur les informations relevées par les capteurs lors des précédentes mesures. Cette étape de prise de décision est au cœur des études menées pendant cette thèse. En particulier, on la retrouvera dans le Chapitre 3 pour la minimisation de la puissance consommée par les stations de base et dans le Chapitre 6 pour la sélection des bandes de fréquence dans les réseaux d’objets connectés.
— Enfin on a l’étape d’adaptation ou de reconfiguration. Dans cette étape, l’appareil applique la décision précédemment prise.
Pour mieux comprendre le principe du cycle intelligent dans le domaine des communications sans fil, nous donnons un exemple d’utilisation pour l’Accès Opportuniste au Spectre (AOS) [11] qui est l’application la plus répandue de la radio intelligente.
L’accès opportuniste au spectre L’ensemble des fréquences pouvant être utilisées pour les communications sont aujourd’hui attribuées. En effet, en France, l’ Agence Nationale des Fréquences (ANFR) qui définie les applications des différentes portions du spectre a planifié l’usage de toutes les fréquences exploitables avec les technologies actuelles. C’est-à-dire, les portions du spectre entre 8.3 kHz et 275 GHz [12]. Si un nouveau service, un nouvel usage ou un nouveau standard de communication apparait, on va devoir l’insérer dans ce spectre. Pour cela, on peut envisager trois possibilités. Il peut être inséré dans les bandes non-licenciées qui sont partagées par divers services, mais, dans ce cas là, il devra cohabiter avec d’autres usages, par exemple avec le Wifi dans la bande de fréquence autour de 2.4 GHz ; ou pourra être limité par la régulation qui régit ces bandes. Par exemple, l’usage des bandes de fréquence autour de 433 et 868 MHz est limité par le rapport cyclique des communications. Une seconde solution consiste à lui réserver une bande de fréquence au détriment d’un autre service qui n’est plus d’actualité. Par exemple, les bandes allouées pour la Télévision Numérique Terrestre (TNT) ont permis de libérer de la place dans l’ancienne bande de la TV analogique autour de 800 MHz pour laisser place à des nouveaux standards de téléphonie mobile de 4G. La dernière des possibilités consiste à utiliser un accès dynamique au spectre dont l’un des exemples est l’AOS. Les bandes réservées n’étant pas toujours utilisées, à un instant donné, on peut avoir une bande réservée par un standard mais laissée libre de façon intermittente dans le temps, mais aussi dans l’espace. C’est ce que l’on appelle un trou dans le spectre. On peut donc insérer un nouveau service qui n’utilisera que ces trous. L’insertion de ce nouveau service doit se faire sans perturber l’utilisateur principal du service qui a payé pour une utilisation de la bande. Par exemple, cela peut se faire dans les réseaux de communication de la TNT, dans lequel, deux zones de couverture voisines n’utilisent pas les mêmes bandes de fréquence pour limiter les interférences. On a donc des bandes de fréquence non-utilisées dans chaque zone. Celles-ci peuvent être utilisés pour d’autres communications [13] tant que les interférences générées sont supportées par les récepteurs TV. Il s’agit ici d’un cas statique, les bandes libres à un endroit donné le restent tout le temps. Dans l’AOS, on appelle utilisateur primaire celui qui est licencié dans une bande de fréquence (par exemple, le réseau de télévision) et utilisateur secondaire celui qui va utiliser une partie du spectre lorsque l’utilisateur primaire ne le fait pas. L’usage du spectre par l’utilisateur secondaire doit se faire sans perturber les communications de l’utilisateur primaire. Si, à un instant donné et à un endroit donné, un utilisateur secondaire veut communiquer à une fréquence donnée, il va donc devoir :
— Évaluer la présence ou l’absence de l’utilisateur primaire. Cette opération passe par l’utilisation de spectrum sensing [14].
— Décider s’il communique ou choisit d’aller ou non explorer d’autres fréquences.
— En fonction de cette décision, il va changer sa configuration en modifiant les paramètres de communication et en particulier sa fréquence de communication.
Les trois étapes de prise de décision décrites ici sont exactement les trois étapes qui composent le cycle intelligent (captation, décision, reconfiguration).

Comportement de notre solution dans un réseau à plusieurs cellules

                 Avec la solution proposée pour l’allocation de puissance, on n’a aucune communication entre les cellules voisines. Sans coordination, on peut avoir des phases de transition pendant lesquelles toutes les stations de base mettent à jour la puissance d’émission et le temps pendant lequel elles servent les utilisateurs. Par exemple, si un nouvel utilisateur se connecte au réseau, la station de base qui le sert va augmenter les interférences qu’elle va générer sur les stations de base voisines. Toutes ces stations de base vont donc mettre à jour leur puissance d’émission pour que la contrainte de capacité des utilisateurs qu’elles servent soit toujours satisfaite. Par conséquent, ces stations de base vont, à leur tour, augmenter les interférences qu’elles génèrent sur les stations de base voisines qui vont alors augmenter les puissances d’émission et les temps de service et ainsi de suite. On a ici un processus itératif qu’il est nécessaire d’analyser. On peut avoir deux cas :
— Si ce processus itératif converge rapidement, on peut utiliser la solution proposée dans la section 3.2 dans un réseau à plusieurs cellules.
— Si ce processus itératif ne converge pas rapidement, on va devoir ajouter de la coordination entre les cellules ou développer de nouvelles stratégies d’allocation de puissance.
Nous avons étudié numériquement l’évolution des puissances d’émission et des temps de service dans le réseau 2 (composé de 17 cellules). Dans ce réseau, on suppose que 30 utilisateurs se connectent les uns après les autres toutes les 10 trames entre 0 et 300. On indexe les utilisateurs par ordre d’arrivée. Chacun de ces utilisateurs a une contrainte de capacité égale à 3 Mbits/s. Entre chaque connexion d’un nouvel utilisateur, on a 10 trames (c’est-à-dire 10 mises à jours des puissances d’émission). Sur les Figures 3.8a et 3.8b, on affiche respectivement l’évolution de la puissance d’émission et du temps de service de certains utilisateurs. On observe sur ces figures que à chaque nouvelle connexion, on a une augmentation nette de la puissance d’émission et du temps de service avant d’avoir une stabilisation rapide de ces deux valeurs (ces valeurs peuvent être considérées comme constantes après moins de 5 trames). Cette stabilisation rapide nous permet de conclure que lorsque la solution proposée est utilisée dans un réseau à plusieurs cellules, les stations de base adaptent rapidement la puissance d’émission et les temps de service. On peut donc utiliser notre solution dans un réseau à plusieurs cellules. De plus, les transitions sont courtes. On peut donc négliger leur durée et évaluer les performances de la solution lorsque tous les utilisateurs sont connectés. Nous venons de voir qu’il est possible d’utiliser notre solution dans un réseau composé de plusieurs cellules. Nous devons maintenant évaluer ses performances. Pour cela, il nous faut définir des stratégies de référence. On compare notre stratégie avec :
— la stratégie sans contrôle de puissance et la stratégie sans Cell DTx qui ont été introduites précédemment. Pour avoir un intérêt, notre solution doit surpasser ces solutions naïves.
— Une stratégie optimale irréalisable. En comparant notre solution avec cet optimum idéal, on voit s’il y a un intérêt ou non à développer des stratégies plus élaborées. Cette stratégie est décrite dans la section suivante.

Le réseau électrique intelligent

Historiquement, le réseau électrique est divisé en quatre parties distinctes :
— La partie production qui comprend l’ensemble des centrales électriques, qu’elles soient hydrauliques, nucléaires, à charbon ou autres. Traditionnellement, la majorité de l’électricité est produite par des centrales qui ont une forte capacité de production. Ces centrales sont reliées au réseau de transport.
— Le réseau de transport est un réseau haute tension qui fait le lien entre les centrales électriques et le réseau de distribution (basse tension).
— Le réseau de distribution est un réseau basse tension qui a pour but d’amener l’électricité jusqu’aux consommateurs finaux.
— Enfin, les consommateurs reliés au réseau de distribution consomment l’électricité.
Dans un réseau électrique, la puissance produite doit toujours être égale à la puissance consommée. Si ce n’est pas le cas, la fréquence du courant électrique dans le réseau (qui a une valeur nominale de 50 Hz) va être modifiée. Cette variation peut endommager le réseau et causer des pannes. C’est pourquoi, il est nécessaire de maintenir sans cesse l’équilibre entre production et consommation pour éviter que le réseau électrique sorte de son régime de fonctionnement et devienne instable. Aujourd’hui, chaque consommateur peut devenir un producteur d’électricité. Par exemple, chacun peut mettre des panneaux solaires sur son toit. Par conséquent, une part de l’électricité produite est maintenant directement injectée dans le réseau de distribution. Cette production étant intermittente, il est nécessaire d’améliorer la gestion du réseau électrique, et en particulier celle du réseau de distribution, pour éviter que celui-ci ne devienne instable. Ceci se fait en utilisant des technologies de l’information et de la communication. En effet, le réseau électrique étant un système distribué à grande échelle, les réseaux de communication sont un élément clé dans la gestion du réseau électrique [82]. Plus globalement, en plus de permettre une bonne intégration des énergies renouvelables, l’utilisation de ces technologies optimise le fonctionnement du réseau et améliore sa fiabilité et sa sécurité [20]. Dans la section suivante, nous présentons les différents réseaux de communication qui vont permettre de mieux gérer les quatre parties du réseau électrique.

Table des matières

Introduction
1 Cadre de l’étude 
1.1 La radio intelligente
1.1.1 Présentation
1.1.2 Le cycle intelligent
1.1.3 L’accès opportuniste au spectre
1.2 L’architecture HDCRAM
1.3 Le réseau mobile considéré
1.3.1 Introduction
1.3.2 Description HDCRAM du réseau mobile efficace en énergie
1.3.3 Position dans le réseau électrique
1.3.4 Description complète
1.4 Études menées dans cette thèse
I Economie d’énergie dans les réseaux cellulaires 
2 Allocation de ressources et de puissance pour des réseaux mobiles sobres en énergie 
2.1 Les réseaux mobiles
2.2 L’accès multiple
2.3 Formulation du problème d’allocation de ressources et de puissance en OFDMA
2.3.1 Définitions et vocabulaire
2.3.2 Maximisation de la capacité
2.3.3 Prise en compte de la consommation énergétique
2.4 Résolution du problème d’optimisation
2.4.1 Allocation de ressources
2.4.2 Allocation de puissance
2.5 Évolutions récentes des réseaux cellulaires
2.6 Consommation d’énergie des réseaux mobiles
2.7 Mise en veille des stations de base et transmission discontinue
2.7.1 Mise en veille prolongée
2.7.2 Transmission discontinue
2.8 Allocation de puissance et de ressources avec du Cell DTx
2.8.1 Allocation de puissance à une seule station de base
2.8.2 Cell DTx dans des réseaux à plusieurs cellules
2.9 Conclusions
3 Allocation de puissance et transmission discontinue en TDMA 
3.1 Problème d’optimisation et reformulation
3.2 Résolution du problème
3.2.1 Méthodologie
3.2.2 Première étape : gestion des contraintes sur le temps de service minimum
3.2.3 Seconde étape : gestion de la contrainte sur le temps total
3.2.4 Algorithme final
3.3 Résultats numériques
3.3.1 Pour une macro-cellule
3.3.2 Pour une femto-cellule
3.4 Dans un réseau composé de plusieurs cellules
3.4.1 Introduction
3.4.2 Modèle d’interférence
3.4.3 Paramètres de simulation
3.4.4 Comportement de notre solution dans un réseau à plusieurs cellules
3.4.5 Stratégie optimale irréalisable
3.4.6 Evaluation de la méthode proposée Algorithme 3
3.4.7 Réduction des interférences pour améliorer les performances
3.4.8 Puissance d’émission optimale
3.5 Conclusions
4 Allocation de ressources et de puissance avec de la transmission discontinue en OFDMA 
4.1 Introduction
4.2 Dans des canaux plats
4.2.1 Formulation du problème
4.2.2 Réécriture du problème
4.3 Dans un canal sélectif en fréquence
4.3.1 Position du problème
4.3.2 Allocation de puissance
4.3.3 Allocation de ressources
4.3.4 Résultats numériques
4.4 Conclusions
II Amélioration des communications du réseau électrique intelligent 
5 Communications dans le réseau électrique intelligent 
5.1 Introduction
5.2 Le réseau électrique intelligent
5.3 Les communications du réseau électrique intelligent
5.4 Rappels sur l’architecture HDCRAM
5.5 HDCRAM pour la gestion de la production et de la consommation
5.6 Description HDCRAM des mécanismes de gestion du réseau
5.6.1 HDCRAM pour la gestion du réseau de transport
5.6.2 HDCRAM pour la gestion du réseau de distribution
5.7 Conclusion
6 Algorithmes de bandits pour les réseaux d’objets connectés 
6.1 Introduction
6.2 Les Low Power Wide Area Networks
6.3 Probabilité de collision dans les réseaux LPWAN
6.3.1 Réseau ALOHA non-slotté avec le mécanisme d’acquittement du standard LoRaWAN
6.3.2 Réseau ALOHA slotté
6.4 Latence dans les réseaux LPWAN
6.4.1 Sélection aléatoire du canal
6.4.2 Transmission uniquement dans le meilleur canal
6.5 Algorithmes de bandits multibras
6.5.1 L’approche fréquentiste : l’algorithme UCB
6.5.2 L’approche bayésienne : l’algorithme Thompson-Sampling
6.6 Application aux réseaux d’objets connectés
6.7 Validation expérimentale sur Plateforme USRP
6.8 Évaluation avec un grand nombre d’objets dynamiques
6.8.1 Modèle
6.8.2 Stratégies de référence
6.8.3 Évaluation des performances
6.9 Conclusion
Conclusion et perspectives

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