Plates-formes matérielles pour la radio logicielle : contraintes et exemples de solutions

03/04/2013
Auteurs :
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2013-1:3945
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2013-1/3945You do not have permission to access embedded form.

Résumé

Le concept de Radio Logicielle (RL), introduit dans [1],  est  le  fruit  de  plusieurs  facteurs  qui  émergent dans les années 1990. Tout d’abord, le constat que les systèmes radio ont évolué du monde de l’analogique  vers  le  numérique,  basculement  qui  offre des  améliorations  de  performance  (meilleure  efficacité  spectrale  grâce  à  des  techniques  avancées de  modulation/codage),  un  coût  plus  faible  des équipements,  la  facilitation  de  la  maintenance  et de  la  mise  à  jour  des  fonctions,  l’optimisation  des couches physique et d’accès au medium (MAC) en fonction des conditions d’utilisation ou d’usage, etc. 

Ce  dernier  point  a  conduit  au  développement  de nombreuses normes visant des domaines d’application  variés,  radio  cellulaire,  réseaux  locaux,  boucle locale, diffusion, réseaux personnels, etc. Il est alors rapidement devenu nécessaire d’envisager des équipements capables de traiter ces différentes normes. Un autre facteur ayant favorisé le concept de RL est la  croissance  en  puissance  de  calcul  des  circuits numériques, offrant autant de nouvelles possibilités d’implémentation.  La  loi  empirique  de  Moore  [2], non démentie depuis les années 1960, permettait alors  des  projections  sur  les  capacités  futures  des circuits  semi-conducteurs  avec  une  croissance  exponentielle  –  un  facteur  2  tous  les  18  mois.  Dès lors les fondements de l’engouement pour une radio reconfigurable capable de traiter de multiples normes en capitalisant sur les évolutions de la micro-électronique étaient posés, et la RL constitue la proposition d’un concept général et idéal pour y répondre.


Plates-formes matérielles pour la radio logicielle : contraintes et exemples de solutions

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Ce  dernier  point  a  conduit  au  développement  de nombreuses normes visant des domaines d’application  variés,  radio  cellulaire,  réseaux  locaux,  boucle locale, diffusion, réseaux personnels, etc. Il est alors rapidement devenu nécessaire d’envisager des équipements capables de traiter ces différentes normes. Un autre facteur ayant favorisé le concept de RL est la  croissance  en  puissance  de  calcul  des  circuits numériques, offrant autant de nouvelles possibilités d’implémentation.  La  loi  empirique  de  Moore  [2], non démentie depuis les années 1960, permettait alors  des  projections  sur  les  capacités  futures  des circuits  semi-conducteurs  avec  une  croissance  exponentielle  –  un  facteur  2  tous  les  18  mois.  Dès lors les fondements de l’engouement pour une radio reconfigurable capable de traiter de multiples normes en capitalisant sur les évolutions de la micro-électronique étaient posés, et la RL constitue la proposition d’un concept général et idéal pour y répondre.
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REE N°1/2013 81 RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE Dominique Noguet CEA-LETI Introduction Le concept de Radio Logicielle (RL), introduit dans [1], est le fruit de plusieurs facteurs qui émergent dans les années 1990. Tout d’abord, le constat que les systèmes radio ont évolué du monde de l’ana- logique vers le numérique, basculement qui offre des améliorations de performance (meilleure effi- cacité spectrale grâce à des techniques avancées de modulation/codage), un coût plus faible des équipements, la facilitation de la maintenance et de la mise à jour des fonctions, l’optimisation des couches physique et d’accès au medium (MAC) en fonction des conditions d’utilisation ou d’usage, etc. Ce dernier point a conduit au développement de nombreuses normes visant des domaines d’applica- tion variés, radio cellulaire, réseaux locaux, boucle locale, diffusion, réseaux personnels, etc. Il est alors rapidement devenu nécessaire d’envisager des équi- pements capables de traiter ces différentes normes. Un autre facteur ayant favorisé le concept de RL est la croissance en puissance de calcul des circuits numériques, offrant autant de nouvelles possibilités d’implémentation. La loi empirique de Moore [2], non démentie depuis les années 1960, permettait alors des projections sur les capacités futures des circuits semi-conducteurs avec une croissance ex- ponentielle – un facteur 2 tous les 18 mois. Dès lors les fondements de l’engouement pour une radio reconfigurable capable de traiter de multiples normes en capitalisant sur les évolutions de la micro-électro- nique étaient posés, et la RL constitue la proposition d’un concept général et idéal pour y répondre. Mitola envisage un système radio ayant une bande passante très large, avec une conversion des signaux radiofréquences - numérique/analogique (N/A) à l’émission, et analogique/numérique (A/N) à la ré- ception. Les échantillons numériques sont alors traités par un processeur numérique (Digital Signal Proces- sor -DSP) qui exécute un programme correspondant à l’implémentation logicielle d’un standard ou d’un mode donné. On comprend immédiatement la capa- cité d’une telle radio à mettre en œuvre des normes diverses, puisqu’il suffit de modifier le programme pour passer de l’une à l’autre. Cette notion de reconfi- guration sera aussi au cœur d’un autre concept, celui de radio cognitive, également introduit en 2000 par Mitola, dont le cycle de cognition repose sur une radio capable de se configurer en fonction d’observations. C’est-à-dire une radio logicielle, ou tout du moins re- configurable, augmentée de fonctions de cognition. Si l’intérêt de la RL est indéniable, elle représente un système idéal, impossible à réaliser dans la pratique en raison des contraintes d’implémentation à tous les niveaux du système : antennes, convertisseurs, DSP. Dans cet article nous mettons en avant ces difficul- tés et donnons quelques exemples d’architectures et de plates-formes matérielles qui essayent de s’appro- cher autant que possible du concept idéal de la RL. Plates-formes matérielles pour la radio logicielle : contraintes et exemples de solutions The concept of Software Radio was introduced in 1995. It has gained interest thanks to the boom of digital communication and the profusion of new standards that have to coexist on a single hardware platform. Currently, radio equipment have some level of reconfigurability but are far from the Software Radio concept from an implementation point of view. This paper starts with the initial concept and highlights the issues related to the design of a Software Radio platform. Several approaches are proposed in the literature and even on the market. They aim at optimising some implementation tradeoffs, such as processing capacity or power consumption. Some examples are described to illustrate these options. ABSTRACT 82 REE N°1/2013 RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE Dans la première partie, nous nous intéresserons aux étages analogiques radiofréquences qui, quoique périphériques dans le concept idéal, n’en sont pas moins indispensables à son im- plémentation. Dans la deuxième partie de l’article, nous nous concentrerons sur les architectures de traitement numérique du signal en présentant plusieurs approches. Ces architectures sont le cœur du concept de RL. Enfin, dans la dernière partie, nous donnerons des exemples de réalisation. Etages analogiques de la radio logicielle Largeur de bande et dynamique Le concept de RL repose sur la possibilité de traiter des formes d’ondes, analogiques par nature, par un DSP puissant. Dans un récepteur RL, l’étage en amont de la conversion est réduit à sa plus simple expression : une antenne et un ampli- ficateur. Cette vision est contradictoire avec les lois physiques qui régissent les signaux radiofréquences. Tout d’abord, pour conserver un bon niveau de rapport signal à bruit (RSB) il n’est pas souhaitable de numériser une bande spectrale beaucoup plus large que celle du signal utile et un filtrage du signal d’entrée est communément utilisé pour limiter la largeur de bande du bruit et par conséquent sa puissance. En outre, le signal d’intérêt cohabite avec d’autres signaux dans les bandes adjacentes. Il convient de les rejeter avant conversion afin d’éviter la saturation des convertisseurs dont la dynamique est nécessairement finie et donnée par 20.log(2n ) [dB] où n représente le nombre de bits de conver- sion. Inversement, limiter l’amplitude du signal utile pour évi- ter la saturation des convertisseurs reviendrait à diminuer la dynamique pour le signal utile, ce qui induit une réduction du rapport S/B (l’augmentation du RSB lié à la conversion augmente de 6dB par bit de quantification perdu). Enfin, la numérisation large bande dans laquelle se trouverait le signal utile parmi d’autres nécessiterait la réjection de ces derniers par des traitements numériques d’annulation d’interférence souvent complexes. Une autre contrainte provient du fait que les fréquences utilisées sur le canal de propagation ne peuvent générale- ment pas être converties directement en signaux en bande de base, même après amplification. Dans la pratique, la dyna- mique des convertisseurs et leur vitesse de fonctionnement contribuent tous deux à une augmentation de la consom- mation électrique des convertisseurs. Cela constitue une contrainte supplémentaire pour la conception d’une RL et il faudra insérer un étage radiofréquence dont le rôle sera, non seulement de rejeter les signaux interférents, mais aussi de ramener le signal radiofréquence vers un signal de fréquence plus basse compatible avec les plages de fonctionnement des convertisseurs. Ces difficultés conduisent, dans la pratique, à émuler une RL par une radio dont la fréquence centrale et la bande pas- sante sont paramétrables pour s’adapter aux signaux utiles à traiter à un instant donné, voire à mettre en œuvre des étages radiofréquences distincts pour chaque bande que l’on sélectionnera en fonction de la bande d’intérêt. Cette der- nière méthode est souvent appelée Velcro dans la littérature. Etages radiofréquences Le choix de l’architecture des étages radiofréquences fait aussi l’objet de compromis. La plupart des récepteurs radio classiques mettent en œuvre une structure hétérodyne dans laquelle un filtre de présélection en amont de l’amplificateur bas bruit élimine les signaux hors bande et une partie de l’énergie des signaux image. En aval de l’amplificateur, un autre étage de filtrage est généralement mis en œuvre pour atténuer davantage les signaux indésirables avant de conver- Figure 1 : Concept de radio logicielle à l’émission et à la réception. REE N°1/2013 83REE N°1/2013 83REE N°1/2013 83 Plates-formes matérielles pour la radio logicielle : contraintes et exemples de solutions tir les signaux utiles vers une fréquence intermédiaire par un étage de mixage. Ce dernier est suivi d’un filtre de sélection de canal, puis d’un deuxième étage de transposition de fré- quences de la fréquence intermédiaire vers la bande de base [3]. Il apparaît clairement que ce type d’architecture nécessite de nombreux étages de filtrage analogique qui sont difficiles à rendre flexibles. Ces architectures demandent également des oscillateurs ayant un bruit de phase réduit, ce qui néces- site l’utilisation de composants discrets pour obtenir des fac- teurs de qualité élevés [3]. Ces contraintes d’implémentation rendent les architectures hétérodynes peu adaptées à une ra- dio logicielle. En général, les radios reconfigurables récentes leur préfèrent une architecture homodyne dans laquelle le signal radiofréquence est transposé en bande de base par un étage de mélange unique (figure 2), ou une architecture low IF (figure 3) dans laquelle la fréquence intermédiaire est choisie suffisamment basse pour pouvoir être exploitée directement par le convertisseur analogique/numérique. Ces architectures présentent moins de composants ana- logiques et sont donc plus facilement reconfigurables. Elles s’adaptent également mieux à une intégration CMOS. Antennes reconfigurables Les antennes sont, elles aussi, soumises à des compro- mis de réalisation (taille, largeur de bande, fréquence de résonance, efficacité, gain, etc.). Par exemple, la conception d’antennes pouvant travailler sur une large gamme de fré- quences a été recherchée depuis de nombreuses années [4] Figure 2 : Architecture homodyne. Figure 3 : Architecture low IF. Figure 4 : Antenne miniature configurable pour les bandes GSM et LTE. 84 REE N°1/2013 RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE mais doit répondre à des questions de compacité, d’efficacité et de variation d’impédance aux différentes fréquences. En particulier, la taille physique de l’antenne est liée à sa taille électrique et il est communément admis que pour un signal de longueur d’onde une antenne ne peut avoir une taille plus petite qu’une sphère de rayon a, a étant défini par [5] : De nombreux travaux actuels visent à obtenir des an- tennes à la fois compactes et reconfigurables, par exemple par le biais de l’ajout d’éléments actifs dans les antennes. Un exemple d’une antenne miniature configurable pour les bandes GSM (880-960 MHz) et LTE (2500-2690 MHz) issu de [6] est présenté en figure 4. Traitements numériques pour la radio flexible Les contraintes qui pèsent sur les étages analogiques d’une plate-forme matérielle pour l’implémentation de la RL imposent des compromis qui impactent fortement son niveau de flexibilité. Il en va malheureusement de même pour le trai- tement numérique des étages de modulation/codage, démo- dulation/décodage. En effet, si la loi de Moore pouvait laisser présager d’une capacité de calcul croissante des processeurs, la complexité des algorithmes de traitement des normes de radiocommunication ne cessent également d’augmenter, et à une cadence plus rapide encore [7]. En vingt ans, la com- plexité d’un transpondeur radio est passée de 100MOPS à 1000GOPS1 [8], soit une augmentation d’un ordre de gran- deur tous les cinq ans. La figure 5 donne, à titre de comparai- son, la performance des processeurs pour PC en GIPS2 . 1 GOPS : Giga Operation Per Second. 2 GIPS : Giga Instruction Per Second. On constate que la puissance de calcul requise pour une seule norme de communication est de l’ordre de grandeur de celle des processeurs pour PC contemporains, dont la consommation est incompatible avec une utilisation radio- mobile (de l’ordre de 250 W à 300 W pour un Intel Core i7 selon les versions). Par ailleurs, il faut noter que les équipe- ments radio, en particulier les smartphones, intègrent de plus en plus de fonctions annexes (caméra, écran tactiles, stoc- kage de masse, etc.). La cohabitation de ces fonctions appli- catives avec les traitements radio proprement dits conduit en général à des architectures multi-processeurs dans lesquelles les fonctions radio sont traitées par un ou plusieurs proces- seurs dédiés. L’ajout de nouvelles fonctions impacte aussi la consommation énergétique des équipements. Elle devient d’ailleurs critique du point de vue de la durée de vie des batteries ou des capacités de refroidissement des terminaux. Une première approche pour réduire la consommation énergétique consiste à travailler à fréquence réduite et à aug- menter le nombre de cœurs de traitement afin de conserver une puissance de calcul suffisante. C’est l’approche retenue par la plupart des fabricants de DSP pour les applications de télécommunication. C’est par exemple la stratégie suivie par Sandbridge avec le Sandblaster SB3500 DSP qui est un processeur de traitement en bande de base à triple cœur pouvant déployer 4 threads par cœur pour une puissance de calcul de 9,6 GMACS 3 par cœur à 600 MHz. De manière plus radicale encore, la société Mindspeed propose des proces- seurs massivement parallèles pour les picocells, comme le PC202-10 qui contient 273 éléments de calcul développant une puissance de calcul de 35 GMACS. En outre, ce proces- seur contient des blocs matériels pour certains traitements particuliers, comme le décodage de Viterbi. 3 GMACS : Giga Multiply Accumulate operations per Second. Figure 5 : Complexité des systèmes cellulaires et capacité de calcul des processeurs. REE N°1/2013 85REE N°1/2013 85REE N°1/2013 85 Plates-formes matérielles pour la radio logicielle : contraintes et exemples de solutions L’accélération matérielle de certaines fonctions par des unités de traitement spécifiques est souvent utilisée comme une manière d’améliorer l’efficacité du système, notamment en consommation énergétique [9]. Cette approche est rete- nue par exemple dans le X-Gold SDR 20 d’Infineon4 , proces- seur en bande de base programmable pour les terminaux multi-standards basé sur une combinaison de cœurs SIMD et d’accélérateurs matériels. Son architecture est décrite par la figure 6. Le réseau sur puce MAGALI [10] est un autre exemple de processeur SDR qui intègre des blocs programmables (Mephisto) et des accélérateurs matériels pour obtenir une consommation énergétique réduite. Ces exemples montrent que l’évolution de la complexité des normes de télécommunication et les contraintes impor- tantes qui pèsent sur la consommation énergétique des équi- pements poussent les concepteurs à s’éloigner du concept de RL en introduisant des blocs de traitement câblés. Dès lors, on ne parle plus de RL, mais de radio définie logicielle (Software Defined Radio - SDR en anglais) ou de radio flexible. Ainsi, le Wireless Innovation Forum5 et le groupe de normalisation IEEE DYSPAN P1900.16 ont proposé une défi- nition de la SDR pour prendre en compte cette vision élargie de la RL. La SDR est une radio dans laquelle une partie ou 4 http://www.infineon.com/dgdl/X-GOLD_SDR-2009-pb.pdf 5 http://www.wirelessinnovation.org/ 6 http://grouper.ieee.org/groups/dyspan/1/index.htm la totalité des fonctions de la couche physique est définie de manière logicielle (sic - ‘Radio in which some or all of the physical layer functions are software defined’). Exemples de plates-formes pour la radio flexible La définition de la SDR que nous venons d’introduire englobe une multitude d’implémentations différentes. Parmi les équipements commerciaux, de nombreux smartphones ou stations de base peuvent être considérés comme fondés sur la SDR. Par exemple, l’iPhone3G d’Apple Inc. utilise un chipset multimode pour le traitement en bande de base. Ce chipset est constitué de deux circuits, le X Gold 208 d’Infi- neon pour les normes GSM, GPRS et EDGE et un second circuit pour les modes 3G (WCDMA et HSDPA) [11]. Il existe également de nombreuses plates-formes de développement basées sur des technologies matérielles ou logicielles reconfigurables (FPGA, DSP). Par exemple, les plates-formes Spectra proposées par Prismtech7 , la gamme SDR de Spectrum Signal8 , ou les USRP d’Ettus Research9 . Enfin, certaines universités ou centres de recherches ont développé des plates-formes de R&D pour le développe- ment de solutions SDR. C’est le cas par exemple de la plate- 7 Prismtech, http://www.prismtech.com 8 Spectrum Signal, http://www.spectrumsignal.com 9 USRP: Universal Software Radio Peripheral, Ettus Research, http:// www.ettus.com Figure 6 : Exemple d’une architecture de processeur pour la RL, le X-Gold SDR 204. 86 REE N°1/2013 RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE forme WARP de l’Université de Rice10 , l’Open Air Interface de l’institut Eurecom11 ou de la plate-forme T-FleX du CEA-LETI et du Fraunhofer IIS [12] Cette dernière a été conçue comme une plate-forme flexible pour la radio cognitive dans les espaces blancs de la bande TV (TVWS). Elle revêt plusieurs caractéristiques em- blématiques d’une plate-forme SDR. La présence de capa- cité de traitement logiciel et matériel lui confère la possibilité d’implémenter des fonctions RL ainsi que des accélérateurs 10 WARP: Wireless open-Access Research Platform, Rice University, http://warp.rice.edu/ 11 Open Air Interface, http://www.openairinterface.org/ matériels pour les blocs les plus exigeants. L’architecture de sa partie numérique s’articule autour de composants pro- grammables de dernière génération : un processeur OMAP Texas Instrument DM3730 renfermant un processeur ARM Cortex A8 cadencé à 1GHz et un DSP C64x, ainsi qu’un cir- cuit programmable FPGA Xilinx Kintex 7 XC7K325T (figure 7). Cette capacité de logique reconfigurable est une différence importante par rapport à l’Ettus E110 [8]. Outre le module numérique, le système T-FleX comporte des modules radiofréquences flexibles sur toute la bande UHF (470 à 860MHz) basés sur une approche low IF (figure 3) à 280 MHz [11]. Les convertisseurs rapides du module numé- rique permettent une implantation numérique de l’étage de Figure 7 : Architecture du module numérique de la plate-forme T-FleX. Figure 8 : Photographie de la plate-forme T-FleX. REE N°1/2013 87REE N°1/2013 87REE N°1/2013 87 Plates-formes matérielles pour la radio logicielle : contraintes et exemples de solutions transposition de la fréquence intermédiaire vers la bande de base, lui conférant une grande flexibilité d’utilisation. Cette plate-forme a été conçue pour être mise en œuvre dans des scénarios de mobilité tels que prévus dans le projet FP7 QoSMOS [13]. Pour cette raison, la plate-forme T-FleX a un facteur de forme réduit comme l’illustre la figure 8, ce qui constitue un atout par rapport à des plates-formes de labora- toire comme la WARP. Conclusion La radio logicielle a été à la base de la conception des systèmes radio modernes. Comme cela a été montré dans cet article, la nécessité d’intégrer plusieurs systèmes radio- numériques différents dans un même équipement a conduit au développement d’approches reconfigurables pour en amé- liorer le coût, la consommation et l’encombrement. Même si ces implémentations ne sont pas au sens strict, des radios logicielles, elles s’en approchent sous plusieurs aspects. En particulier, au niveau des traitements numériques, les archi- tectures à base de multi-processeurs et de blocs dédiés sont une tendance majeure des équipements de communication modernes. Cependant, l’évolution des normes et des besoins en capacité de calcul associés impose de revoir constam- ment les approches retenues. L’évolution de la capacité des batteries est quant à elle très lente et la consommation des équipements portables devient un paramètre prépondérant d’optimisation architecturale, en particulier pour les équipe- ments mobiles. Ce critère d’optimisation est souvent antago- niste de celui de reconfiguration, notamment au niveau des étages radiofréquences. Pour ces étages, une approche de type Velcro où cohabitent plusieurs front-end pour supporter plusieurs normes est encore largement répandue. Références [1] J. Mitola, “The software Radio Architecture”, IEEE Com- munications Magazine, pp. 26-38, May 1995. [2] G.E. Moore, “Cramming More Components Onto In- tegrated Circuits”, Electronics, vol. 38, 19 avril 1965. [3] S. Mirabbasi & K. Martin, “Classical and Modern Receiver Architectures”, IEEE Communication Magazine, Nov. 2000. [4] V. Rumsey, “Frequency Independent Antennas”, New York: Academic Press, 1966. [5] J. MacClean, “A Re-Examination of the Fundamental Limits on the Radiation Q of Electrically Small Antennas”, IEEE Trans Antennas Propagat., vol. 44, p. 672-676, 1996. [6] M. Niamien, L. Dussopt & C. Delaveaud, “Miniature Swi- tchable Wideband Notch Antenna for Multistandard Wireless Terminals”, 6th European Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP 2012), Prague, Czech Republic, 2012. [7] C. Van Berkel, “Multi-Core for Mobile Phones”, DATE, Nice France, 2009. [8] V. Berg, D. Noguet & X. Popon, “A Flexible Hardware Plat- form for Mobile Cognitive Radio applications”, Euromicro Digital System Design (DSD), Cesme, Turkey, 2012. [9] K.Strohmenger,M.Laugeois,D.Noguet,B.Oelkrug&K.Seo, “Architectures for Digital Physical Layer Implementation in Multi-Mode 3G Terminals”, IST Mobile Summit, 2004. [10] F. Clermidy, C. Bernard, R. Lemaire, J. Martin, I. Miro- Panades, Y. Thonnart, P. Vivet & N. Wehn, “A 477mW NoC- Based Digital Baseband for MIMO 4G SDR”, ISSCC, 2010. [11] “Teardown of Apple’s iPhone 3G”, [En ligne]. Available: http://maltiel-consulting.com/iPhone_Components_ maltiel_semiconductor-Update.htm. [12] D. Noguet, V. Berg, X. Popon, M. Schueler & M. Tessema, “T-Flex: A Mobile SDR Platform for TVWS Flexible Operation”, vol. 10, 2012. [13] D. Noguet, R. Datta, P. Lehne, M. Gautier & G. Fettweis, “TVWS Regulation and QoSMOS Requirements”, Wireless VITAE, Chennai India, 2011. Dominique Noguet est ingénieur INSA en génie électrique 1992 et docteur en micro-électronique de l’INPG en 1998. Il a obtenu le prix de thèse INPG pour ces travaux. Il a rejoint le CEA-LETI la même année. Il y a occupé les fonctions de concepteur ASIC pour les systèmes de communication, de chef de projet, chef de laboratoire et actuellement chef du service des technologies de la communication et de la Sécurité. Ses travaux de recherche concernent les architec- tures reconfigurables pour les systèmes de communication numérique et plus récemment la radio cognitive, domaine dans lequel il a eu des positions de management dans plu- sieurs projets de recherche européens. Il a écrit plus de 50 articles scientifiques et a déposé 12 brevets. L'AUTEUR