La radio cognitive (La radio intelligente)

Le mot cognitif est un adjectif qualifiant ce qui est relatif [5]:

· a la cognition ; c'est-à-dire aux grandes fonctions de l'esprit comme la perception, le langage, la mémoire, la décision, le mouvement, le raisonnement logique, le jugement moral ou l’esthétique....

· aux sciences cognitives ; on parle aussi de psychologie cognitive ou de thérapie cognitivo-comportementale [5]. DSP ADC ADC BPF BPF ^BPF LNA LO

5.3.1. Terminal de radio cognitive

Mitola qui est le père aussi de cette nouvelle idée, après la combinaison de la radio logicielle avec l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle, a produit la « radio cognitive ». Cette nouvelle notion ou idée a été présentée officiellement par lui à un séminaire à KTH, l'Institut royal de technologie, en 1998. Ensuite, il a publié cette idée dans un article en 1999 avec Gerald Q. Maguire [27] [28]. D’après Mitola:

« Une radio cognitive peut connaître, percevoir et apprendre de son environnement

puis agir pour simplifier la vie de l'utilisateur».

D’après la définition de Mitola, la radio cognitive (CR) se résume comme:

· un système conscient de son environnement, et ayant la capacité de détecter et de reconnaître son cadre d'utilisation,

· un dispositif doté d’au moins quatre entrées principales, à savoir une compréhension de l’environnement dans lequel il opère, une compréhension des besoins de communication de l’utilisateur, une compréhension des politiques réglementaires qui lui sont applicables ainsi qu’une compréhension de ses propres capacités,

· un système capable de prendre des décisions concernant leurs comportements radio suivant les informations disponibles,

· un système capable après la décision d’ajuster ses paramètres de fonctionnement radio (de façon dynamique et autonome), et de modifier son comportement (modifier l’architecture nécessaire comme la méthode d'émission/réception),

· un système capable d’apprendre des résultats de ses actions.

Nous pouvons prendre un exemple très illustratif de Laurent Alhaus [5], en considérant une voiture qui roule sur une route à double sens. Le conducteur est obligé en permanence non seulement de jauger de la distance entre son véhicule et celui qui le précède mais aussi d'anticiper les mouvements de l'ensemble des véhicules et la configuration du terrain. Toute action de ce dit conducteur ne pourra se faire que lorsque la prise de connaissance de son environnement sera effective afin de ne pas créer d'accident. Dans le monde des télécommunications, un terminal, évoluant au sein d'un ensemble d'équipements dans une même cellule, doit satisfaire au mieux les besoins des utilisateurs sans perturber les autres équipements.

On peut prendre aussi l’exemple de la norme « WiMAX », où la densité de la modulation du signal transmis peut varier en fonction des conditions de la liaison radio, plus

particulièrement le rapport signal à bruit (figure I.6). Près de la station de base, la qualité du signal reçu est meilleure puisque la puissance du signal utile est supérieure à celle du bruit, dans ce cas le système intelligent utilise une modulation dense (64-QAM) qui garantit un débit de transmission élevé malgré une robustesse moindre face aux perturbations. Cependant, la qualité du signal se dégrade de plus en plus avec l’éloignement de l’utilisateur de la station de base, dans ce cas le système intelligent utilise une modulation moins dense (16-QAM ou 4-QAM) qui donne un débit faible, mais elle est plus robustesse face aux perturbations qu’elle procure à la liaison.

Figure 1.6 – Adaptation de la modulation dans un systèmeWiMAX [28].

5.3.2. Relation entre la radio cognitive et la radio logicielle restreinte

L’une des principales caractéristiques de la radio cognitive est la capacité d’adaptation de façon dynamique où les paramètres de la radio (fréquence porteuse, puissance, modulation, bande passante, codage de canal) peuvent être modifiés en fonction de: l’environnement radio, de la situation, des besoins de l’utilisateur, de l’état du réseau et de la géo-localisation,...etc. La radio logicielle peut également offrir la flexibilité et la reconfigurabilité nécessaires pour obtenir l’adaptation de la radio cognitive. En d’autres termes, la radio logicielle est une "technologie habilitante" pour la radio cognitive [5][27], c'est-à-dire cette dernière doit être mise en œuvre autour d’une radio logicielle.

5.3.3. Cycle de cognition

La figure I.7 illustre le cycle de cognition ainsi appelé par Mitola et Maguire [29] qui synthétise les fonctions de cognition de l’architecture d’une radio intelligente [28] [30].

L’observation (observe) consiste àprendre conscience de l’environnement par la capture de métriques; la compréhension de l’environnement radio, des besoins des utilisateurs, des contraintes existantes. L’orientation (orient) consiste à classer les métriques par priorités et aiguiller le traitement (normal, urgent, immédiat). La planification (plan) consiste en la prise de décisions à long terme c'est-à-dire le système planifié les meilleures configurations possibles suivant les métriques observées. Le processus de décision (decision) se sert des observations pour produire une action ou un ensemble d’actions, on parle ici à allouer les ressources nécessaires. Le processus agit (act) pour effectuer la reconfiguration de l’équipement. Enfin, l’apprentissage (learn) où toutes les perceptions sensorielles ainsi que les actions sont continuellement comparées à l’ensemble des expériences antérieures. En effet, l’apprentissage a pour but d’apprendre des échecs ou des réussites des précédentes reconfigurations.

Figure I.7: Le cycle de cognition de Mitola et

Maguire [28].

Figure I.8: Le cycle de cognition simplifié[28].

Il est possible de simplifier le schéma de la figure I.7 par celui de la figure I.8. Ce schéma simplifié intègre les notions d’intelligence comme "orient", "plan", "learn" dans la notion "decide". Selon la figure I.8 simplifiée, le terminal observe en permanence son environnement, puis et selon les résultats de l’observation, le terminal transmet à l’unité de reconfiguration les modifications à effectuer après la décision.

Décider Observer _Agir Orien t Plan Décide Observe Act Immediate Learn Urgent Outside word normale

5.3.4. Modèle OSI de la radio cognitive.

La figure I.9 montre l'approche générale qui peut aider la radio afin de mieux adapter sa fonctionnalité pour un service donné dans un environnement donné. La radio cognitive est structurée suivant trois couches du modèle OSI (figure I.9).

Sensors (capteurs) La couche Le profil de l'utilisateur (Prix. Des choix

personnels), localisation, Son, vidéo, vitesse, sécurité.

Application

Handover vertical,standards. Transport Réseau Mode d'accès, puissance, modulation,

codage, fréquence, handover, estimation de canal.

Liaison de données physique

Figure. I.9. modèle OSI simplifié pour la radio cognitive

Dans les couches basses du modèle OSI, nous trouvons toutes les informations de détection (sensing information) liées à la couche physique: la propagation, la consommation d'énergie, le schéma de codage, la modulation, etc. Au niveau intermédiaire du modèle OSI, on trouve toutes les informations qui participent au handover vertical, ou peut aider à faire un choix de standard, comme un capteur de détection du standard. La couche la plus élevée est liée aux applications, et tout ce qui concerne l'utilisateur, ses habitudes, les préférences, les politiques, la position de l’utilisateur, sa langue maternelle, le profil et peut apprendre les routines et les habitudes de voyage de l’utilisateur. Si un utilisateur a l'habitude de se connecter à un service de vidéo à la demande tous les soirs en rentrant à la maison de son travail par le métro, un terminal CR devrait être consciente de planifier toutes les exigences en termes de vie de la batterie, une quantité suffisante de crédit sur son contrat, par succession de handover vertical en fonction de chaque zone pendant le voyage, etc.

L'équipement peut être conscient de son environnement avec l'aide de capteurs comme le microphone, la caméra vidéo, les biocapteurs, etc. Une caméra vidéo par exemple peut être utilisée pour indiquer si le terminal est à l'extérieur ou à l'intérieur d'un bâtiment. Cela peut avoir un impact sur les caractéristiques de propagation, mais également de la capacité ou non à recevoir des signaux GPS. Nous pouvons penser aussi que notre équipement peut être sécurisé par des informations biométriques sûres de l'utilisateur et/ou la reconnaissance de visage.

5.3.5. Radio opportuniste

Nous pouvons dire que la radio opportuniste représente une application de la radio intelligente, qui a pour but d’optimiser l’utilisation des bandes de fréquence, sous licence ou non (lorsque la radio opportuniste cherche à utiliser des fréquences sous licences, elle s’appelle radio opportuniste fréquentielle ou spatiale). Dans ce type de radio, nous avons un réseau opportuniste (un réseau secondaire), et un réseau officiel (un réseau primaire). Un utilisateur dit secondaire pourra à tout moment accéder à une bande de fréquence d’un autre utilisateur primaire qui possède une licence sur cette bande. L’utilisateur secondaire peut accéder seulement à cette bande, s’il trouve que celle ci est libre et non occupée par l’utilisateur primaire. Une fois, le service terminé ou l’utilisateur primaire a besoin de faire une connexion, l’utilisateur secondaire devra libérer cette bande.

Nous pouvons reprendre l’exemple de Laurent Alhaus [5] relatif à la circulation routière. Si un conducteur, circule sur une route à double sens et qu'il désire doubler le véhicule qui le précède, il n'a d'autre choix que d'emprunter la voie venant en sens opposée. Ceci n'est possible que si cette voie est libre et si aucun autre véhicule n'arrive en sens inverse. Nous avons comme application de cette radio l’exemple de [31], qui est un projet s’appelant « Oracle ». Dans ce projet, le réseau secondaire permet l’échange d’informations alors que le réseau primaire est de type WiFi.

Un réseau opportuniste à besoin donc de connaître les différentes fréquences de travail présentes dans le réseau afin de se reconfigurer intelligemment et convenablement, c’est pour cela qu’il nécessite un équipement capable de travailler sur une large gamme de fréquences.

Afin de gérer les interactions entre les utilisateurs, nous avons deux approches distinctes: la première est l’approche Centralisée où l'intelligence est centralisée dans une centrale de décisions. Dans ce cas, le terminal ne possède pas d'intelligence propre, son rôle consiste seulement à examiner son environnement et à communiquer ses résultats avec la centrale de décisions. Ce dernier agrège toute la connaissance de l'environnement pour ensuite répartir les allocations spectrales aux différents terminaux. Les terminaux recevront donc les paramètres opérationnels nécessaires pour faire la reconfiguration convenable en fonction de cette allocation spectrale. La deuxième approche est dite l’approche Décentralisée où chaque terminal est autonome dans la prise de décision. Cette approche implique, que chaque équipement possède sa propre intelligence qui lui permet d’examiner son environnement et de sélectionner une bande de fréquence sur laquelle il peut transmettre.

6. Conclusion

Dans ce premier chapitre, nous avons d’abord mis l’accent sur l’intérêt de la réalisation d’un terminal multistandard qui permettrait aux utilisateurs de disposer d’un

émetteur/récepteur universel et unique capable d’opérer selon plusieurs normes et standards de radiocommunications. La radio logicielle est une technique prometteuse pour répondre aux besoins de la future génération de la radio communication. Nous avons présenté donc dans ce chapitre les différents concepts liés à des notions importantes concernant la radio logicielle idéale (SR), la radio logicielle restreinte (SDR) ainsi la radio cognitive (RC).

Ainsi il est clair qu’à partir de ce chapitre, nous considérons que la radio logicielle restreinte et la radio cognitive, nécessitent des architectures avec des contraintes variant en fonction des composants qui composent la chaine de transmission/réception SDR. Dans le deuxième chapitre, nous détaillerons les différentes architectures et solutions proposées dans les littératures pour répondre à ces exigences et besoins d’un terminal multistandard. Au troisième et au quatrième chapitre, nous allons mettre en évidence notre travail, en proposant des architectures génériques capables de prendre en charge plusieurs fonctionnalités.

Chapitre II

Description détaillée d'une