20 ans de radio logicielle, quelles réalités ?

03/04/2013
Auteurs :
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2013-1:3944
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2013-1/3944You do not have permission to access embedded form.

Résumé

Nous venons de fêter ces dernières années le centenaire de plusieurs grandes étapes de l’histoire des radio-communications  :  le  prix  Nobel  de  Gugliemo Marconi (1909), les premiers événements historiques associés aux transmissions radio (par exemple le SOS qui a permis le sauvetage de 700 passagers du Titanic le 15 avril 1912), l’invention de la triode par Lee De Forest  en  1907.  C’est  pour  nous  l’occasion  de  faire le point sur l’une des dernières évolutions technologiques qu’a connue la radio : la radio logicielle [1].
En effet, de la même manière que le moteur automobile repose depuis plus de 100 ans sur le même principe  (explosion)  et  les  mêmes  éléments  mécaniques (pistons, soupapes, vilebrequin, etc.), la radio repose sur la même architecture (superhétérodyne) et les mêmes éléments électroniques (amplificateurs, mélangeurs,  filtres,  etc.).  Des  évolutions  technologiques, comme le transistor, ont bien sûr permis de miniaturiser  et  d’augmenter  les  performances,  mais en restant cependant sur la même base de composants électroniques discrets. C’est sur ce dernier point qu’intervient la rupture de la radio logicielle. En effet, l’évolution  phénoménale  des  technologies  numériques pendant les années 1980 a permis de remettre en cause ce paradigme bien établi et dès le début desannées 1990 1  certains traitements en bande de base ont commencé à être exécutés et regroupés dans des circuits intégrés numériques. Cette évolution a mené à la radio logicielle, dont les idées principales sont que le circuit de traitement est un processeur généraliste et  qu’une  partie  des  traitements  jusque-là  assurés en analogique par plusieurs composants discrets deviennent réalisables par un seul processeur. 


20 ans de radio logicielle, quelles réalités ?

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Nous venons de fêter ces dernières années le centenaire de plusieurs grandes étapes de l’histoire des radio-communications  :  le  prix  Nobel  de  Gugliemo Marconi (1909), les premiers événements historiques associés aux transmissions radio (par exemple le SOS qui a permis le sauvetage de 700 passagers du Titanic le 15 avril 1912), l’invention de la triode par Lee De Forest  en  1907.  C’est  pour  nous  l’occasion  de  faire le point sur l’une des dernières évolutions technologiques qu’a connue la radio : la radio logicielle [1].<br />
En effet, de la même manière que le moteur automobile repose depuis plus de 100 ans sur le même principe  (explosion)  et  les  mêmes  éléments  mécaniques (pistons, soupapes, vilebrequin, etc.), la radio repose sur la même architecture (superhétérodyne) et les mêmes éléments électroniques (amplificateurs, mélangeurs,  filtres,  etc.).  Des  évolutions  technologiques, comme le transistor, ont bien sûr permis de miniaturiser  et  d’augmenter  les  performances,  mais en restant cependant sur la même base de composants électroniques discrets. C’est sur ce dernier point qu’intervient la rupture de la radio logicielle. En effet, l’évolution  phénoménale  des  technologies  numériques pendant les années 1980 a permis de remettre en cause ce paradigme bien établi et dès le début desannées 1990 1  certains traitements en bande de base ont commencé à être exécutés et regroupés dans des circuits intégrés numériques. Cette évolution a mené à la radio logicielle, dont les idées principales sont que le circuit de traitement est un processeur généraliste et  qu’une  partie  des  traitements  jusque-là  assurés en analogique par plusieurs composants discrets deviennent réalisables par un seul processeur. 
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70 REE N°1/2013 RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE Christophe Moy, Jacques Palicot Supelec/IETR Introduction Nous venons de fêter ces dernières années le cen- tenaire de plusieurs grandes étapes de l’histoire des radio-communications : le prix Nobel de Gugliemo Marconi (1909), les premiers événements historiques associés aux transmissions radio (par exemple le SOS qui a permis le sauvetage de 700 passagers du Titanic le 15 avril 1912), l’invention de la triode par Lee De Forest en 1907. C’est pour nous l’occasion de faire le point sur l’une des dernières évolutions technolo- giques qu’a connue la radio : la radio logicielle [1]. En effet, de la même manière que le moteur auto- mobile repose depuis plus de 100 ans sur le même principe (explosion) et les mêmes éléments méca- niques (pistons, soupapes, vilebrequin, etc.), la radio repose sur la même architecture (superhétérodyne) et les mêmes éléments électroniques (amplificateurs, mélangeurs, filtres, etc.). Des évolutions technolo- giques, comme le transistor, ont bien sûr permis de miniaturiser et d’augmenter les performances, mais en restant cependant sur la même base de compo- sants électroniques discrets. C’est sur ce dernier point qu’intervient la rupture de la radio logicielle. En effet, l’évolution phénoménale des technologies numé- riques pendant les années 1980 a permis de remettre en cause ce paradigme bien établi et dès le début des années 19901 certains traitements en bande de base ont commencé à être exécutés et regroupés dans des circuits intégrés numériques. Cette évolution a mené à la radio logicielle, dont les idées principales sont que le circuit de traitement est un processeur généraliste et qu’une partie des traitements jusque-là assurés en analogique par plusieurs composants discrets de- viennent réalisables par un seul processeur. Dans cet article, nous allons tout d’abord repla- cer la radio logicielle dans son contexte afin de bien comprendre les intérêts qui ont contribué à son avè- nement, tant à la conception des équipements qu’à leur utilisation. La radio logicielle est une convergence entre différents domaines technologiques. Il en résulte que chaque communauté scientifique concernée s’est approprié le concept et utilise cette dénomination pour illustrer ses travaux. Nous verrons que de cet état de fait résulte autant de points de vue différents que de communautés concernées. Nous essaierons ensuite de dresser un état des lieux de la réalité objective de la radio logicielle, grâce aux progrès technologiques qu’elle a engendrés. La radio logicielle a été notamment pro- posée comme une solution pour la conception d’équi- pements radio multi-standards. Mais une autre réponse possible au défi technologique que cela représente, serait d’intégrer tous les standards possibles de manière séparée (chacun dans des composants dédiés) dans 1 Dès le milieu des années 1970, sous certains aspects, au ni- veau des recherches militaires. 20 ans de radio logicielle, quelles réalités ? In this article, we emphasize the fact that software radio is an inevitable evolution of radio technologies and is the result from the convergence of several pre-existing domains. Joe Mitola can be recognized as the person who formalized this evolution. New radio equipment includes more and more software radio capabilities, i.e., they are software configurable. Some of the former analogue features have moved to digital ones. We believe that the time window in which the software radio had some benefit compared to a velcro approach for commercial multi-standards radio equipment is probably over. In the military domain however, software radio became reality. We conclude the benefits of software radio will be fully exploited when its technology is actually required in new and complex areas, such as cognitive radio. ABSTRACT REE N°1/2013 71REE N°1/2013 71 20 ans de radio logicielle, quelles réalités ? les équipements. Si en 2001, nous écrivions dans [2] que cette dernière solution n’était pas viable économiquement et com- mercialement, cet argument a aujourd’hui perdu de sa perti- nence en raison des progrès constants dans le domaine de la microélectronique. Nous discuterons ce point et nous donne- rons également notre vision de l’avenir de la radio logicielle. Les fondements de la radio logicielle Genèse de la radio logicielle L’histoire du microcosme de la radio retiendra que le diffuseur du terme software radio, traduit en français par radio logicielle, est Joe Mitola lors de la conférence IEEE National Telesystems Conference en 19922 . Les études qu’il menait alors faisaient écho aux demandes du DoD (Department of Defense des États-Unis) concernant des perspectives à long terme. Le DoD cherchait à anticiper sur l’avenir par des études plus futuristes à l’échelle de dix à vingt ans. C’est l’opportunité de mener de telles réflexions plus conceptuelles, moins soumises aux contraintes et réalités matérielles courantes, qui a mené Joe Mitola à poser les concepts fondateurs de la radio logicielle. On peut considérer que la radio logicielle, ou tout au moins, la plupart de ses concepts, aurait existé sans Joe Mitola. De fait, dans les années 90, des notions telles que : - terminaux, étaient très en vogue. 2 Le terme apparaît en fait dans les années 80 dans la société E-Systems (Raytheon maintenant) où Joe Mitola a travaillé. Il faut donc souligner l’impact du travail de Joe Mitola pour homogénéiser et formaliser dans un seul concept dénommé radio logicielle toutes ces notions préexistantes [1] [3]. La radio logicielle est une rupture technologique, fruit d’une évolution incontournable et d’une convergence entre différents domaines préexistants. Beaucoup d’entreprises ou d’équipes de recherche font de la radio logicielle sous un aspect ou un autre, sans le savoir. La radio logicielle regroupe en effet un large spectre de domaines techniques qui repré- sentent chacun un sujet en soi, sans être nécessairement intégré à la radio logicielle [2]. Cependant, la communauté scientifique a adhéré rapide- ment à l’idée de radio logicielle comme l’illustre la courbe de la figure 1 sur l’évolution du nombre d’articles traitant de radio logicielle depuis 1995, courbes obtenues à l’aide de Google Scholar. Il est intéressant de constater que l’apparition de publications traitant de Software Defined Radio (SDR) cor- respond à la création du SDR Forum en 19963 . Le nombre de publications étiquetées “software defined radio” croise celui des publications étiquetées “software radio” autour de 2003- 2004. Cela montre que le domaine devient alors majoritai- rement un problème concret à résoudre quitte à concéder des écarts avec les principes d’origine (software radio) pour trouver des solutions pragmatiques (software defined radio). Depuis 2009, on peut constater un tassement de l’augmen- tation du nombre d’articles. Il ne traduit malheureusement pas le fait que le sujet est résolu. Les études sur les thèmes inhérents à la radio logicielle sont toujours aussi nombreuses, voire en augmentation. Mais de la même manière que la 3 Renommé Wireless Innovation Forum en décembre 2009, http://www. wirelessinnovation.org. Figure 1 : Évolution du nombre d’articles traitant de radio logicielle depuis 1995 - Source : GoogleScholar. 72 REE N°1/2013 RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE radio logicielle a englobé certains sujets, certains d’entre eux se rattachent maintenant à de nouvelles dénominations. La radio intelligente en fait partie. Ceci n’est d’ailleurs sans doute pas décorrélé de l’explosion du nombre de publications trai- tant de « cognitive radio » ces dernières années. Cependant, on voit bien que la radio intelligente connaît sa propre exis- tence, indépendante de la radio logicielle. Elle connaît une croissance très forte, et ce depuis 2005. Intérêts de la radio logicielle Il n’y a pas forcément de consensus sur la signification exacte du terme radio logicielle, nous y reviendrons dans la section suivante. De nombreuses classifications existent, qui ont eu plus ou moins leur succès à leur parution. Le lecteur intéressé pourra se référer à l’ouvrage [4] pour approfondir ces classifications. Si l’on devait résumer la radio logicielle en une idée, elle serait la suivante : elle marque le passage d’une conception des appareils d’émission/réception radio (quels qu’ils soient) à partir de nombreux composants élec- troniques dédiés comme cela se faisait depuis 100 ans, à une conception à partir d’éléments généralistes (on parlera plus d’unités de traitement que de composants électro- niques). L’unité de traitement, typiquement un processeur, offre la possibilité d’exécuter plusieurs opérations différentes, typiquement des fonctions programmées en langage infor- comprend alors aisément les bénéfices que l’on peut en tirer. Bénéfice à la conception Le premier avantage, auquel la radio logicielle a été iden- tifiée exclusivement au départ et de manière réductrice4 [5], a été de tirer bénéfice de cette approche en matière de conception. Le passage de fonctions analogiques dans le domaine numérique permet en effet de tirer parti des avantages liés à la conception numérique. En outre, repor- ter sur la programmation les difficultés de mise au point de l’application plutôt que sur la conception matérielle offre plus de confort et plus de robustesse aux erreurs de conception. Dans ce cas, la plate-forme matérielle peut être conçue tôt dans le cycle de développement, à partir de composants standards préexistants. Deux risques sont ainsi évités : - tuer des corrections matérielles nécessitant une nouvelle fabrication. Celle-ci n’étant plus faite au dernier moment, une 4 On retrouvera le même phénomène à propos de la radio intelligente qui va abusivement souvent être réduite à la question de l’optimisation de l’utilisation du spectre fréquentiel. est basée sur la réutilisation d’unités de traitement standard. L’application (logicielle) peut ainsi être améliorée jusqu’au tout dernier moment avant la livraison. Cela permet de pou- voir vérifier le fonctionnement, corriger les dernières erreurs à coût réduit, puisque n’impliquant pas de correction maté- rielle, et valider définitivement le produit. A cela s’ajoute la possibilité de séparer de plus en plus la plate-forme d’exécution de l’application. Le terme « plate- forme » n’est pas restreint au matériel mais inclut également la couche logicielle support permettant d’exploiter les capa- cités de traitement des composants de la plate-forme (OS5 , BSP6 , intergiciels, etc.). L’application dans notre cas est une application radio. L’avantage est alors double. D’une part, cela permet la réutilisation d’une même plate-forme pour des produits dif- férents, et cela de deux manières : même produit multi-standards à l’opposé d’une approche de conception de type « velcro » qui comprend autant de spécialisées par logiciel. Par exemple, les équipements de test et mesure, tels que les générateurs de signaux ou les analyseurs (spectre, réseau), sont déclinés avec toute une gamme de capacités plus ou moins étendues reposant uni- quement sur la mise à disposition d’options « logicielles ». D’autre part, la dissociation entre plate-forme et applica- tion permet la réutilisation des blocs de traitements logiciel métier (ici radio) sur plusieurs plates-formes, donc dans plu- sieurs produits différents. L’économie réalisée est double : d’une part ne pas redévelopper ce qui a déjà été réalisé et d’autre part tirer bénéfice des corrections effectuées dans les produits précédents, ce qui offre également au client un gage de qualité. Un tel contexte permet en outre l’essor de tierces parties proposant des blocs de traitement logiciel métier. Une telle mutualisation offre le triple avantage de diminuer les risques d’erreur que l’on vient d’évoquer, de concentrer l’activité des entreprises sur ses compétences de spécialiste (plate-forme ou code métier) et c’est aussi une manière d’effectuer des économies d’échelle (chaque industriel ne redéveloppe plus tout lui-même). Une autre facette de l’apport de l’approche radio logicielle à la conception est d’utiliser des corrections numériques aux problèmes non résolus en analogique. Certaines mises au 5 OS : Operating System. 6 BSP : Board Support Package. REE N°1/2013 73REE N°1/2013 73 20 ans de radio logicielle, quelles réalités ? point s’avèrent très complexes en analogique, autrement dit peuvent coûter très cher, au-delà du prix que le fabri- cant d’appareil peut faire supporter à son client. Une façon économique réside souvent dans la correction en numérique des imperfections analogiques, ce qu’un contexte de radio logicielle offre par défaut. En poussant ce raisonnement, on peut même en arriver à promouvoir la réalisation d’une partie analogique radiofréquences avec des défauts (dirty RF) mais très bon marché, dont les défauts seraient entièrement com- pensés par des algorithmes numériques [6]. Bénéfice en gain de fonctionnalités La nouveauté de la radio logicielle est selon nous la possi- bilité qu’elle offre d’exploiter la flexibilité de cette approche en cours de vie du produit, c’est-à-dire après sa sortie d’usine, en off-line), voire en cours de fonctionnement (on-line) [7]. C’est ce qui différencie les véritables activités en radio logicielle. En ce sens, il reste un avenir à la radio logicielle car cette capacité est loin d’être complètement exploitée dans la plupart des systèmes radio. Le premier bénéfice est d’offrir une connexion ubiquiste, c’est-à-dire être capable de démoduler à la réception (res- pectivement moduler à l’émission) tous les standards de communication avec le même équipement, de manière à n’importe quel standard [1][8]. Il suffit pour cela que l’appareil récupère off-line le programme correspondant au standard qui sera utilisé lors d’un déplacement à l’étranger par exemple. Une approche radio logicielle comme évoqué dans la sec- tion précédente permet en effet d’adapter les traitements par simple changement de logiciel parmi les logiciels existants dans le système radio dès sa conception. Si un équipement radio permet de recevoir des données de communication, on peut aussi imaginer lui transmettre des données de configu- ration, autrement dit une nouvelle version logicielle. Une telle transmission est appelée téléchargement par voie aérienne (OTAR - Over The Air Reconfiguration) [1]. Il s’agit là d’un exemple concret de l’exploitation de la flexibilité en cours de vie d’un équipement. Ce type de téléchargement peut concer- ner la correction de défauts (patch) voire un nouveau logiciel complet. Le début des années 2000, alors que se propageait les idées de radio logicielle, a connu notamment une période pression des délais, avaient mis en service des appareils sur lesquels il a fallu effectuer des corrections, cela impliquant le rapatriement des appareils dans l’usine de fabrication, au grand mécontentement des clients et des opérateurs. Une approche de téléchargement par voie aérienne permettrait de minimiser l’impact sur les clients de telles opérations de maintenance. Même si des démonstrateurs de recherche ont été réalisés au début des années 2000 [9], les problèmes auxquels se heurte ce type d’approche rendent son dé- ploiement encore futuriste. Le premier de ces problèmes est l’ouverture des traitements radio à l’intrusion, ce qui crée une nouvelle menace de piratage ou d’exposition aux actions malveillantes tels que la diffusion de virus. En second lieu, changer les capacités radio d’un équipement requiert actuellement un nouvel examen de certification vis-à-vis des contraintes que doit respecter tout équipe- ment émettant des ondes. En généralisant cette approche, la mise à jour logicielle peut concerner une correction, mais aussi une amélioration de l’équipement radio, voire le téléchargement d’un nouveau standard qui n’existait pas à la vente du produit. On a pu avoir la faiblesse de penser que cela serait un moyen de prolonger la durée de vie des équipements tels que les télé- phones mobiles, dans une perspective de développement durable. Mais les usages ont montré que le renouvellement des téléphones mobiles ne se fait pas que sur des critères de fonctionnalité radio, mais plutôt en fonction des modes ou de l’évolution des performances applicatives. En revanche, il sera de plus en plus grâce aux avancées en radio logicielle. On peut citer le domaine satellitaire. En effet, les contraintes de ce domaine sur la charge en orbite impliquent naturelle- ment d’utiliser des approches de mise à jour ou correction par téléchargement radio. La radio logicielle peut également apporter un gain aux opérateurs en offrant des possibilités de mise à jour à dis- tance des points d’accès radio. Cela revient à des opérations d’exploitation de l’infrastructure de téléphonie mobile éten- dues à la couche physique des stations de base. On comprend alors que la radio logicielle est située à un croisement, celui des domaines des télécoms et de l’informatique dont elle symbolise la convergence. Être concepteur radio désormais, c’est combiner l’électronique et l’informatique, au niveau système (d’un réseau), mais également dans les équipements radio. Bien sûr, le support d’exécution reste électronique et nécessite toute l’attention des concepteurs et chercheurs radio, mais il n’en a plus l’exclusivité. La flexibilité (reprogrammabilité ou reconfigu- rabilité) est une propriété que le matériel électronique sup- port de l’exécution peut fournir, à condition de déployer également les moyens logiciels de l’exploiter [5]. Ainsi il en va pour la radio logicielle comme pour toute plate-forme matérielle : la meilleure architecture matérielle est inutile si l’on ne dispose pas des outils pour en tirer les performances optimales. Concrètement, nous pensons ici aux compilateurs 74 REE N°1/2013 RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE ou outils de plus haut niveau capables de répartir les trai- tements pour les accélérer, ou diminuer la consommation, ou optimiser les traitements sur tout autre critère. Ceci est l’objet et le sera encore longtemps, de nombreux travaux de - sentée (INRIA7 , Lab-Sticc8 , LIRMM9 , LEAT10 , IETR11 ). La radio logicielle sous différents points de vue La radio logicielle étant le résultat de la convergence entre différents domaines technologiques, chaque communauté s’est approprié le concept et a son propre point de vue, que nous proposons de détailler ici. La radio logicielle a été étu- diée sous ces différents points de vue dans de nombreux projets collaboratifs financés par les fonds de recherche eu- ropéens et nationaux. Citons par exemple TRUST12 , E2R13 , NEWCOM14 au niveau européen et au niveau national Pla- ton15 , Idromel16 , etc. Pour une liste plus complète le lecteur est invité à consulter les annexes de [4]. Architecture de traitement numérique L’un des principes fondamentaux de la radio logicielle est d’utiliser comme moyen de traitement un processeur géné- raliste. C’est ce qu’a appliqué Vanu Bose [10] pour réaliser 7 Institut National de Recherche en Informatique et Automatique. 8 Laboratoire en Sciences et Techniques de l’Information, de la Commu- nication et de la Connaissance, UMR CNRS. 9 Laboratoire d’Informatique, de Robotique et de Microélectronique de Montpellier. 10 Laboratoire d’Electronique, Antennes et Télécommunications. 11 Institut d’Electronique et de Télécommunications de Rennes. 12 Transparent Reconfigurable Ubiquitous Terminal. 13 End-to-End Reconfigurability. 14 Network of Excellence in Wireless COMmunications. 15 Plate-forme ouverte pour les nouvelles générations de communica- tions mobiles. 16 Impact des équipements reconfigurables pour le déploiement des futurs réseaux mobiles. dès la fin des années 90 des stations de base GSM dont les traitements sont exécutés sur processeur général, typi- quement un processeur Pentium. La société Vanu Inc. qu’il a créée sur cette base communiquait alors sur le bénéfice qui découlait directement des progrès des processeurs en termes de puissance de calcul. En effet, au fur et à mesure que la vitesse d’exécution des processeurs généraux s’amé- liore, la station de base peut supporter un plus grand nombre de communications simultanées. Mais plusieurs restrictions s’opposent à la généralisation de cette approche aux objets communicants nomades, tels que le prix, la consommation de puissance et les performances des unités de traitement. Il est alors souvent nécessaire de combiner des unités de traitement de natures différentes. Chaque famille d’unité de traitement, en effet, a ses forces et ses faiblesses. Les exigences en puissance de calcul pour effectuer la modulation/démodulation en temps réel sont telles qu’il est bien souvent nécessaire d’utiliser les capacités de toute la gamme des possibilités : 17 ) pour les calculs com- plexes et la gestion des stockages et connexions, avec un 18 ) pour les calculs de traitement du signal à consommation modérée, 19 pour le calcul intensif parallèle sans trop de contrainte de consommation, avec un haut degré de flexi- - duite et pour un grand nombre de pièces produites, avec une flexibilité très faible. La figure 2 illustre le rapport entre flexibilité et perfor- mances en termes de puissance de calcul des unités de dif- férentes natures. 17 General Purpose Processor. 18 Digital Signal Processor. 19 Field Programmable Gate Array. Figure 2 : Rapport entre flexibilité et performances calculatoires. REE N°1/2013 75 20 ans de radio logicielle, quelles réalités ? C’est en fait la combinaison de ces différentes catégories d’unités de traitement qui fournit le meilleur compromis. Il s’agit du concept d’architecture hétérogène, c’est-à-dire une architecture comprenant à la fois des DSP, FPGA, GPP… C’est l’orientation que prennent les fabricants de composants dits SoC20 ou NoC21 qui intègrent plusieurs unités de nature différente au sein d’une même puce. Ce sont d’ailleurs les fournisseurs de SoC qui actuellement dominent le marché des circuits pour la téléphonie mobile comme Qualcomm et Samsung. Nous orientons le lecteur intéressé par ces consi- dérations vers le chapitre 11 de [4] et l’article de Dominique Noguet dans ce même numéro. Architecture RF Du point de vue des concepteurs des têtes d’émission/ réception radio fréquence (RF), la radio logicielle est un pro- blème de transposition de fréquence en numérique, plus exactement de positionnement de la numérisation en RF, fréquence intermédiaire (FI) ou bande de base. Une radio logicielle idéale devrait être capable de démo- duler à la réception (respectivement moduler à l’émission) tous les standards de communication à l’aide de logiciels portables d’une plate-forme à une autre. Cela donne une première architecture théorique présentée sur la figure 3. la tête d’émission/réception RF (sélection du canal, suppres- sion de l’interférence, amplification et transposition en bande de base) sont réalisées en traitement analogique exécuté par du matériel dédié, la radio logicielle échantillonne le signal RF à large bande directement après filtrage et amplification faible bruit. Par la suite, le module de traitement numérique procède aux opérations de transposition en fréquence, de sélection du canal et de démodulation, avec des traitements exécutés par logiciel. L’analyse du schéma de la radio logicielle idéale de la fi- gure 3, montre que cet idéal n’est pas réalisable dans l’absolu, 20 System on Chip. 21 Network on Chip. de nombreux travaux se sont donc orientés vers des architec- tures à contraintes relaxées. On parle alors de radio logicielle restreinte (RLR), ou software defined radio en anglais, consi- dérant que la bande numérisée est réduite. Dans la littérature on trouve principalement trois types de RLR décrites dans le chapitre 6 de [4]. Des produits commerciaux intègrent déjà des capacités radio logicielle telles qu’une numérisation plus proche de la RF et effectuent les traitements FI en numérique. Un goulot d’étranglement de l’architecture idéale étant la conversion (analogique/numérique et numérique/analo- gique), la communauté du domaine de la conversion a énor- mément investi dans la recherche pour résoudre le problème posé par la radio logicielle. Même si aujourd’hui le problème n’est pas encore totalement résolu, de très nombreux pro- grès ont été effectués et une radio logicielle restreinte (par exemple en fréquence intermédiaire basse fréquence) est réa- lisable aujourd’hui. Nous trouvons par exemple des produits intitulés “Wideband SDR Solution” qui intègrent sur une seule puce les fonctions de conversion large bande (12 bits, 3.6 Géchantillons/s), de filtrage, et de transposition de fréquence. Il est à noter qu’un autre goulot d’étranglement de l’ar- chitecture idéale est la puissance de calcul requise qui est - tombons alors sur les considérations évoquées dans le para- graphe précédent sur l’architecture numérique. En plus des problèmes liés à la conversion et à la puissance de calcul, d’autres fonctions de l’architecture idéale posent problème : comme les antennes à large bande passante et l’amplifica- tion de puissance d’un signal large bande comportant un multiplex de porteuses modulées. Radio logicielle : « SDR » et « SCA » La communauté militaire de la radio logicielle utilise sys- tématiquement le diminutif SDR (Software Defined Radio), qui peut être résumé comme une approche de la radio logi- cielle plus proche des réalités de la mise en œuvre. Il faut rappeler que c’est la communauté fondatrice du domaine puisque les travaux de Joe Mitola sur le sujet ont été réalisés sur financement du DoD. Mais au-delà des crédits qui éma- Figure 3 : Schéma de la radio logicielle idéale. 76 REE N°1/2013 RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE nent du DoD pour développer la filière, c’est l’exigence expri- mée par le DoD que les futurs moyens de communication dont les armées américaines se doteront devront être SDR, qui fait que les industriels fournisseurs des armées inves- tissent massivement dans la radio logicielle. C’est pourquoi cela est majoritairement un phénomène américain, mais se ressent aussi en Europe puisque les communications sont un axe stratégique au sein de l’Alliance atlantique, et nul ne peut ignorer les directions que prennent les États-Unis. Ainsi les entreprises européennes désirant répondre aux besoins du marché militaire américain ne peuvent faire l’impasse sur la « SDR » afin de pouvoir candidater aux appels d’offre du DoD, et par effet de ricochet des autres membres de l’OTAN. Par ailleurs, si le DoD a pris cette orientation radio logicielle, c’est pour faciliter l’inter-opérabilité des moyens de commu- nication des différentes forces armées américaines (Navy, Air Force et Army), ce qui est une caractéristique fondamentale de ce que peut offrir la radio logicielle. L’intérêt de la radio logicielle en termes de facilitateur de solutions pour résoudre les problèmes d’inter-opérabilité prend encore plus de sens doivent inter-communiquer. On retrouve d’ailleurs également ce besoin pour les communications mobiles des forces de sécurité civiles (PMR : Professional Mobile Radio aussi dé- manière assez proche du domaine militaire [11]. Il est inté- ressant de savoir qu’au-delà des aspects purement militaires, un autre événement a fortement contribué à augmenter les financements du DoD pour la radio logicielle, c’est le 11 sep- tembre 2001. En effet, les lacunes en termes de moyens de communication ce jour-là ont provoqué des pertes qui auraient pu être évitées avec une coordination plus effi- cace entre les forces de police et des pompiers. Dans une moindre mesure, la perte des moyens de communications civiles a aussi augmenté la confusion et a contribué à rendre plus difficile les actions des secours. La radio logicielle appa- raît être une solution qui pourrait permettre de redéployer rapidement des moyens de communications interopérables en cas de catastrophe détruisant les infrastructures d’une ré- gion (à plus ou moins grande échelle – on pense également au tsunami du 26 décembre 2004 en Asie du Sud Est) [11]. Ainsi, la communauté SDR militaire a reçu depuis 20 ans un support financier très élevé, initialement par le biais d’appels d’offre sur projets de recherche, dorénavant par la vente de produits SDR, notamment aux États-Unis, et dans une moindre mesure dans le reste du monde. Au niveau académique, des universitaires, quasi exclusivement amé- ricains, bénéficient de ces financements pour des études amont directement issues du DoD, ou par sous-traitance des industriels américains. De manière un peu plus concrète, que veut dire SDR pour les militaires ? SDR est souvent équivalent à SCA22 . Le SCA est une architecture logicielle d’abstraction de la plate- forme matérielle permettant de développer des applications radio (forme d’ondes ou waveforms) indépendamment de la plate-forme par le biais d’interfaces standardisées (API23 ) comme illustré sur la figure 4 extraite de [12]. Le SCA est un standard issu des études financées par le DoD auprès 22 “Software Communications Architecture Specification”, JTRS Stan- dards, version 2.2.2, 15 May 2006. 23 Application Programming Interface. Figure 4 : Interfaces (API) du SCA permettant la portabilité des formes d’ondes [12]. REE N°1/2013 77REE N°1/2013 77 20 ans de radio logicielle, quelles réalités ? du JTRS (Joint Tactical Radio Systems) depuis 1997, visant à spécifier un standard de développement radio logicielle. Tout fabricant de système ou sous-système de communi- cation souhaitant répondre aux appels d’offre SDR du DoD doit suivre le standard SCA. En théorie, SCA doit permettre aux intégrateurs de systèmes de pouvoir utiliser du maté- riel ainsi que du logiciel fait par un ou plusieurs fournis- seurs, de manière transparente et efficace. Quand on sait le secret qui couvre la réalisation de systèmes militaires, on comprend l’ampleur du défi, au-delà de toute considération purement technique. Le SCA a été spécifié dans le milieu des années 90 sur des mots-clefs tels que « portabilité », « hétérogénéité », « mul- ti-standards », « inter-opérabilité ». Les solutions techniques choisies alors n’existaient pas dans le domaine de l’électro- nique temps réel embarqué, et ce sont les réponses propo- sées dans le domaine de l’informatique qui ont été choisies car les seules existantes (CORBA24 , IDL25 , Posix, etc. que l’on retrouve sur la figure 4. Depuis ses origines le SCA connaît des évolutions pour se rapprocher des solutions du domaine du temps réel embarqué26 . Une adaptation européenne du SCA est développée dans le cadre du projet ESSOR27 de l’EDA28 [21]. Le ministère de la Défense français a annoncé le 17 avril 2012 le lancement du programme stratégique CONTACT29 , pour un financement supérieur au milliard d’euros. Le pro- gramme CONTACT est destiné à équiper, à partir de 2018, les forces armées en postes de radio tactiques de nouvelle génération, s’appuyant sur une technologie innovante de « radio logicielle ». Il vise à renouveler et moderniser les moyens des groupements tactiques interarmes et s’arti- cule pleinement avec les programmes de numérisation du champ de bataille (NEB […]), équipant les combattants des unités au combat. Les postes radio CONTACT permettront une transmission simultanée et hautement sécurisée de voix et de données. Ils constitueront un élément essentiel de la sécurité et de la capacité d’action tactique des fantassins et des véhicules blindés déployés en opération » [23]. Cela révèle à quel point la radio logicielle a désormais une réalité concrète au niveau militaire en France. 24 Common Object Request Broker Architecture. 25 Interface Description Language. 26 “Joint Tactical Radio System (JTRS) Standard Modem Hardware Abstrac- tion Layer Application Program Interface,” version 2.11.1, 02 May 2007. 27 European Secure SOftware defined Radio: http://www.eda.europa.eu/ otheractivities/sdr/essor. 28 European Defense Agency. 29 http://www.defense.gouv.fr/terre/a-la-une/lancement-du-programme- contact-de-radio-logicielle. Autres points de vues La communauté des traiteurs de signaux est bien entendu mise à contribution dans toutes ces recherches. De fait la réalisation en numérique des anciennes fonctions analo- giques, ainsi que la compensation des défauts des fonctions analogiques restantes, nécessitent le développement d’algo- rithmes de traitement du signal évolués. N’oublions pas le point de vue de la communauté du logi- ciel. Celle-ci est en effet concernée à la fois par l’étude d’un OS temps réel, la définition des logiciels des différents stan- dards ainsi que par les protocoles de téléchargement (voir l’exemple d’OTAR évoqué plus haut). En liaison avec la com- munauté des électroniciens, elle est aussi concernée par le développement de logiciels de haut niveau qui permettent de modéliser les applications, par les outils de répartition matériel/logiciel, etc. Si on se restreint à une application particulière, il est technologiquement possible de la réaliser sous forme radio logicielle dès maintenant. Le fait de limiter une radio logi- cielle à la bande de l’application peut paraître en contra- diction avec l’idée même de radio logicielle, mais pour un fabricant de produits dont la réalité s’arrête à la gamme de fréquences de ses équipements, cela est tout à fait naturel. Ainsi dans le cas d’applications ayant une faible bande pas- sante, des fréquences porteuses basses, une consommation non contrainte par la mobilité et des exigences relatives en termes de coût, une radio peut être mise en œuvre au plus près des concepts de la radio logicielle. Les équipements des radio-amateurs font partie de cette catégorie et la première communauté qui utilise pour ses besoins quotidiens la radio logicielle est celle des radio-amateurs. La radio logicielle comme catalyseur de progrès technologiques Pour chacun des points de vue précédemment présen- tés, la radio logicielle a engendré une intense activité de recherche. Elle a fédéré de nombreuses études et projets col- laboratifs, il en est résulté de très nombreux progrès techno- logiques, et de nombreux sujets d’études encore à explorer à l’avenir. Sans être exhaustif, citons quelques progrès pour chaque point de vue précédent. Architecture de traitement numérique Le développement d’architectures hétérogènes, c’est-à-dire une architecture comprenant à la fois des DSP, FPGA, GPP… a été fortement dynamisé par la radio logicielle. Les architectures implantées sur puce sous forme de Noc ou de SoC, qui intègrent des unités programmables ou paramétrables, sont communé- ment utilisées dans les équipements mobiles les plus récents. 78 REE N°1/2013 RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE En parallèle à l’évolution vers des architectures hétéro- gènes, une autre évolution fondamentale a consisté à rendre le matériel de plus en plus « souple », de façon à ce qu’il puisse être utilisé de manière semblable à du logiciel. Cela a abouti, par exemple, au concept de reconfiguration par- tielle pour les FPGA. La société Xilinx, principal fournisseur de FPGA supportant cette capacité, a d’ailleurs développé et réservé le marché de la reconfiguration partielle aux seuls acteurs du domaine de la radio logicielle pendant plusieurs années pour lancer ce marché. L’évolution vers des architec- tures numériques de plus en plus performantes a permis à des industriels de proposer des stations de base radio logi- cielle. Architecture RF L’architecture à conversion directe est devenue réalisable car son principal défaut, qui résultait du mélange entre l’oscilla- teur local et le signal RF (cf chapitre 6 de [4]), est maintenant maîtrisé par les industriels. La radio logicielle impose aussi des contraintes fortes et nouvelles sur les étages d’amplification. Il s’agit en, effet d’amplifier une large bande de fréquences comprenant un grand nombre de porteuses modulées. Pour cette fonction, la radio logicielle a de nouveau généré de nom- breuses études afin de résoudre les problèmes liés à l’ampli- fication large bande. De nombreux progrès ont été également réalisés en termes d’antennes large bande ou multi-bandes pour la radio logicielle. Par ailleurs, la communauté du do- maine de la conversion analogique numérique et numérique analogique réalise maintenant des convertisseurs large bande, de 12 bits à des fréquences d’échantillonnage de plusieurs Ghz. L’échantillonnage en fréquence intermédiaire est deve- nu très classique dans les produits actuels, ce qui implique de réaliser certaines fonctions de modulation/démodulation, de sélection du canal d’intérêt, d’adaptation de la fréquence d’échantillonnage en numérique. Ces fonctions sont réalisées par des algorithmes de traitement du signal. Le lecteur inté- ressé pourra se référer au chapitre 8 de [4]. Architecture logicielle Nous avons vu précédemment que dans ce domaine, le principal résultat est la définition du SCA, à l’origine pour le domaine militaire. Les besoins en OS temps réel embarqué engendrés par la radio logicielle ont contribué de manière significative à l’apparition et la progression d’OS embarqués, La répartition optimale matériel/logiciel sur les différentes unités de traitement (co-conception matérielle logicielle ou codesign) implique le développement d’une modélisation de l’application et de logiciels de haut niveau comme cela a été évoqué plus haut. Autres points de vue Dans le domaine du traitement du signal, le nouveau concept “dirty RF” est directement issu des travaux en radio logicielle. Ce concept générera un grand nombre de travaux dans les prochaines années. En se restreignant à une applica- tion particulière, occupant une faible bande passante portée par des fréquences basses, et en utilisant les idées de la radio logicielle, de nombreux constructeurs ont proposé des produits dits radio logicielle pour leur application. Toutes ces dernières considérations prouvent que la radio logicielle a de multiples réalités dépendantes des différents points de vue des différentes communautés scientifiques. On peut donc en déduire que la radio logicielle est entrée de fait, à travers tous ces progrès technologiques, dans les produits et équipements. La radio logicielle et l’avenir Il est d’ores et déjà possible de réaliser une radio logicielle en laboratoire, à un coût de fabrication et de consomma- tion électrique illimité, pour des applications données. Mais le principe d’une radio universelle servant à tout un panel d’applications de télécommunications, ne serait-ce que dans la vie quotidienne (Wi-Fi, 2G multi-bandes, 3G, 4G, FM, Blue- tooth, GPS, etc.), n’est pas commercialement viable. Pour s’en persuader, il suffit pour cela de constater que tous les téléphones portables actuels intègrent tous ces liens radio en utilisant autant de circuits dédiés. On parle d’approche « velcro » : on ajoute un composant (comme un scratch) au fur et à mesure qu’on ajoute une fonctionnalité radio. Il est indéniable que cette approche est très efficace pour commuter d’un standard à un autre. Elle n’est cependant pas évolutive, car traiter un nouveau standard non prévu lors de la réalisation du circuit nécessite la réalisation d’un nouveau circuit et la vente d’un nouvel appareil. Mais qu’en sera-t-il demain ? On a pensé, que les moyens de connectivité sans fil se multipliant, il arriverait un seuil au-delà duquel cette tendance à multiplier les circuits de manière « velcro » ne serait plus viable. Les progrès continus dans le domaine de la microélectronique et de l’intégration offriront certainement la possibilité d’intégrer encore plus de standards sous forme « velcro ». Cette approche offre des capacités suffisantes pour les besoins actuels en termes de flexibilité alors que celles de la radio logicielle sont très net- tement supérieures à ces besoins. On peut en déduire qu’en termes de technologie multi-standards la fenêtre de tir de la radio logicielle est sans doute passée. Cependant lorsque toutes ses « capacités » seront nécessaires pour offrir des applications utilisant la radio intelligente alors il existera une REE N°1/2013 79REE N°1/2013 79 20 ans de radio logicielle, quelles réalités ? nouvelle fenêtre dans laquelle la technologie radio logicielle aura tout son sens. La radio logicielle ne sera plus considérée alors comme une simple approche de remplacement des technologies courantes mais comme apportant un réel nou- veau service. Dans un contexte de hand-over vertical, la radio logicielle facilitera le passage entre standards en cours de communication. En ce sens, comme nous l’avons écrit dans [4], la radio logicielle devient une technologie support pour la radio intelligente. Il nous semble que la radio logicielle, dans son ensemble, ne deviendra pas un standard en tant que tel (voir à ce pro- pos l’article de Markus Mueck, dans ce même numéro, sur la standardisation), car les « capacités » radio logicielle s’intro- duisent par une évolution « naturelle » dans les produits et équipements. Il nous semble que ce seront plutôt les appli- cations utilisant la radio logicielle qui seront standardisées, comme l’accès dynamique au spectre et autres applications de la radio intelligente. Celle-ci, sous différents aspects très réducteurs, commence à être intégrée dans différents standards. En effet, des fonctions d’adaptation de la forme d’onde à l’environnement que l’on trouve dans les standards tels que WiMAX et LTE relèvent bien d’une radio intelligente. Cependant ce sera grâce à des « capacités » radio logicielle complètes que la radio intelligente pourra être totalement opérationnelle. En dehors du domaine militaire, nous avons précédem- ment écrit que la radio logicielle n’avait pas encore de réalité industrielle en termes de produits grand public. Cependant il existe des produits à différents endroits de la chaîne de valeur de la radio logicielle, essentiellement américains. C’est ainsi que l’on trouve des générateurs de forme d’onde, des plates-formes d’exécution (la plus connue et utilisée dans le monde académique étant l’USRP30 de Ettus Research), des fournisseurs de logiciels et d’intergiciels, des intégrateurs, etc. Une liste de fournisseurs peut être trouvée sur la page du Wireless Innovation Forum31 . Conclusion Cette analyse des vingt premières années de la radio logi- cielle permet de constater tout d’abord que les résultats ne sont pas à la hauteur des promesses dans le domaine com- mercial. Pour les équipements multi-standards, la fenêtre temporelle dans laquelle la radio logicielle a un avantage par rapport à une approche de type « velcro » est même sans doute passée. Les acteurs du domaine de la radio logi- cielle n’ont pas réussi à proposer des produits de type radio 30 Universal Software Radio Peripheral. 31 http://www.wirelessinnovation.org/product_services_directory. logicielle concurrentiels par rapport aux produits de type « velcro » tels que les « smartphones ». La radio logicielle a été une motivation et a généré une intense activité de recherche durant ces vingt dernières années. Il en a résulté de très nombreux progrès technolo- giques pour un certain nombre d’éléments (CAN, NoC, OS temps réel,…), utilisés aujourd’hui dans de nombreux pro- duits et équipements. De ce point de vue la radio logicielle a une réalité objective. Dans le domaine militaire, la radio logicielle s’est concréti- sée par le SCA au niveau international et par les programmes ESSOR au niveau européen et CONTACT au niveau français. Ce succès est dû aux moyens importants consacrés à la radio logicielle dans le domaine militaire. Les besoins opération- nels des militaires ont fait que la radio logicielle s’est impo- sée comme la technologie nécessaire pour répondre aux problèmes de communications multi-standards, ce qui n’a pas été le cas dans le domaine grand public probablement en raison des exigences moindres de ce marché pour lequel les acteurs des télécommunications n’ont pas la nécessité d’exploiter la totalité des « capacités » de celle-ci. Les capacités de la radio logicielle en termes de flexibilité et de traitement du signal sont très nettement supérieures aux besoins actuels du marché. Ce n’est que lorsque toutes les « capacités » de la radio logicielle seront nécessaires pour offrir des applications et des services complexes dans le fu- tur, par exemple basés sur la radio intelligente, que la radio logicielle pourra exprimer tout son potentiel. En ce sens, il reste un bel avenir à la radio logicielle. Références [1] J. Mitola, “The Software Radio Architecture”, IEEE Co- mmunications Magazine, May 95, pp. 26-38. [2] J. Palicot, C. Roland, « La Radio Logicielle : Enjeux, Contraintes & Perspectives », Revue de l’électricité et de l’électronique, décembre 2001. [3] J.H. Reed, B. D. Woerner, “Software Radio: A Modern Approach to Radio Engineering”, Prentice Hall, 2002. [4] J. Palicot (sous la direction de), « De la radio logicielle à la radio intelligente », Collection Télécom, Lavoisier Librairie, juin 2010. [5] A. Kountouris, C. Moy, L. Rambaud, “Reconfigurability: A Key Property in Software Radio Systems”, First Karlshruhe Workshop on Software Radios, Karlshruhe, Germany, 29-30 March 2000. [6] M. Ariaudo, I. Fijalkow, J.-L. Gautier, M. Brandon, B. Aziz & B. Milevsky, “Green Radio Despite “Dirty RF” Front-End”, EURASIP Journal on Wireless Communications and Net- working 2012, 2012:146. 80 REE N°1/2013 RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE [7] X. Reves, A. Gelonch, V. Marojevic & R. Ferrus, “Software radios: Unifying the reconfiguration process over heterogeneous platforms”, EURASIP Journal on Applied Signal Processing, vol. 2005, issue 16, September 2005. [8] A.Kountouris,C.Moy,L.Rambaud&P.Lecorre,“ASoftware Radio Approach for the Transceiver Transition from 2G to 2.5G to 3G”, ISSPA’2001, Kuala Lumpur, Malaysia, 13-16 August 2001. [9] A. Kountouris, C. Moy & A. Bisiaux, “Reconfigurable Soft- ware Radios: A Case Study for Over-the-Air Bug Fixing”, Proc. ANWIRE, Mykonos, Greece, Sept. 2003. [10] V. Bose, “Design and implementation of software radios using general purpose processors”, MIT Ph.D. thesis, June 1999. [11] T.A. Sturman, C. Staples, M. Bowyer, S. Delmas, A. Sanchez, R. Leschhorn, C. Moy, A. Kropp, A. Onderwater, R. Dopico & O. Picchi, “Employing SDR for International Public Safety”, Karlsruhe Workshop on Software Radio, Karlsruhe, Germany, 7-8 March 2012. [12] JPEO JTRS Corporate Communications and Public Affairs Directorate, “The Software Communication Architecture – Advancing the Field of Software Defined Radio”, CHIPS – Department of the U.S. Navy’s Information Technology Magazine, June 2012. Christophe Moy a obtenu les diplômes d’ingénieur et de doctorat de l’INSA de Rennes en 1995 et 1999 dans la spécialité électronique. Il a ensuite travaillé 6 ans dans le laboratoire de recherche européen de Mitsubishi Electric en télécommunications numériques. Depuis 2005, il est enseignant/chercheur à Supélec, sur le campus de Rennes, et effectue ses recherches dans l’équipe SCEE, rattachée à l’IETR, UMR 6164 du CNRS dont il est responsable du département Communications. Ses recherches portent sur la radio logicielle et la radio intelligente. Jacques Palicot a obtenu son doctorat de l’Université de Rennes I, mention Traitement du Signal et de l’Information en 1983 et, en 2003, son HDR (Habilitation à Diriger des Recherches) de l’Université de Rennes I. Il a commencé sa carrière comme ingénieur d’études à XCOM, Rennes puis, pendant 17 ans comme ingénieur d’études puis responsable de secteur TDF au CCETT (devenu Orange-FT R&D Rennes). De 2001 à 2003, il a été détaché à l’IRISA/INRIA comme spécialiste industriel. Il a intégré Supélec en 2003 et est res- ponsable de l’équipe de recherche Signal Communications et Electronique Embarquée (SCEE). Ses domaines d’activités portent sur le traitement du signal, les modulations numé- riques, la radio logicielle, la radio intelligente et l’écoradio. LES AUTEURS