Futures normes : un cadre pour faciliter l’application de la radio cognitive

03/04/2013
Auteurs :
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2013-1:3946

Résumé

Les activités de normalisation se multiplient dans le domaine de la radio cognitive. A l’ETSI 1  le groupe RRS 2  développe des normes pour pouvoir utiliser les « espaces blancs » de la télévision [1], ou pour exploiter de nouvelles bandes de fréquences en appliquant le partage du spectre pour les services cellulaires [2].
A l’IEEE, DySPAN travaille également sur des solutions visant à mieux exploiter les « espaces blancs »[3] ; le groupe définit des interfaces pour l’analyse spectrale (“spectrum sensing”), et les structures des données correspondantes [4]. L’IEEE 802.11af [5] est dans sa phase  finale  et  bientôt  sera  publiée  une  extension permettant  l’utilisation  du  Wi-Fi  dans  les  espaces blancs de la télévision aux États Unis. 


Futures normes : un cadre pour faciliter l’application de la radio cognitive

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A l’IEEE, DySPAN travaille également sur des solutions visant à mieux exploiter les « espaces blancs »[3] ; le groupe définit des interfaces pour l’analyse spectrale (“spectrum sensing”), et les structures des données correspondantes [4]. L’IEEE 802.11af [5] est dans sa phase  finale  et  bientôt  sera  publiée  une  extension permettant  l’utilisation  du  Wi-Fi  dans  les  espaces blancs de la télévision aux États Unis. 
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88 REE N°1/2013 RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE Markus Mueck, INTEL Mobile Communications Group, Munich, Allemagne Introduction Les activités de normalisation se multiplient dans le domaine de la radio cognitive. A l’ETSI1 le groupe RRS2 développe des normes pour pouvoir utiliser les « espaces blancs » de la télévision [1], ou pour exploi- ter de nouvelles bandes de fréquences en appliquant le partage du spectre pour les services cellulaires [2]. A l’IEEE, DySPAN travaille également sur des solutions visant à mieux exploiter les « espaces blancs »[3] ; le groupe définit des interfaces pour l’analyse spectrale (“spectrum sensing”), et les structures des données correspondantes [4]. L’IEEE 802.11af [5] est dans sa phase finale et bientôt sera publiée une extension permettant l’utilisation du Wi-Fi dans les espaces blancs de la télévision aux États Unis. En même temps, la Commission européenne pré- pare un changement important de la directive concer- nant les équipements hertziens et les terminaux de télécommunications et la reconnaissance mutuelle de leur conformité (directive R&TTE) [6]. Ce chan- gement facilitera l’introduction d’un nouveau type d’applications pour les téléphones mobiles : Les « Ap- plications Radio » (“RadioApps”) [7]. Ces applications permettront de changer la configuration radio d’un 1 ETSI : European Telecommunications Standard Institute. 2 RRS : Reconfigurable Radio Systems. téléphone mobile après sa vente et après son intro- duction sur le marché, ce qui nécessite une mise à jour de la certification de l’appareil contrairement aux applications destinées aux smartphones qui peuvent être installées en exploitant un certificat existant. Les « Applications Radio » seront donc utilisées pour four- nir sur demande des solutions de radio cognitive aux utilisateurs. Afin d’accélérer l’introduction de la radio cognitive et reconfigurable, la Commission européenne pré- pare un mandat de normalisation pour l’ETSI, le CEN3 et le CENELEC4 . L’objectif consiste à renforcer les trois axes suivants : I) Objectif A : dans le domaine des applications com- merciales, permettre le déploiement et l’exploita- tion de systèmes fondés sur la radio cognitive, y compris, ceux exploitant les espaces blancs et ceux utilisant le partage du spectre ; II) Objectif B : dans le domaine des applications de la sécurité civile and militaire, développer une norme applicable à des structures SDR5 adéquates, basée sur l’approche SCA6 ; III) Objectif C : approfondir les études concernant les synergies entre systèmes commerciaux, militaires et de sécurité civile. Les activités indiquées ci-dessus démontrent qu’il y a actuellement une volonté renforcée d’introduire 3 CEN : Comité Européen de Normalisation. 4 CENELEC : Comité Européen de Normalisation Électrotechnique. 5 SDR : Software Defined Radio. 6 SCA : Software Communications Architecture. Futures normes : un cadre pour faciliter l’application de la radio cognitive Cognitive and Reconfigurable Radio Systems are currently evolving towards commercial mass deployment and are receiving broad political support in this direction. Indeed, the European Commission is preparing a revision of the fundamental regula- tion framework of wireless systems (the so-called R&TTE Directive) which will enable Reconfigurable Mobile Devices to enter the market. Furthermore, the Commission has issued a mandate related to Reconfigurable Radio Systems which is expected to accelerate the development and adoption of the underlying technology. This picture is complemented by European Regula- tion Administrations preparing a new framework opening frequency bands for more flexible usage by sharing. In this complex context, it is essential to have an understanding of the aggregate political, administrative and technological picture. This article presents such a global view and details closely related standardization activities in the ETSI Reconfigurable Radio Systems Technical Committee. ABSTRACT REE N°1/2013 89REE N°1/2013 89REE N°1/2013 89REE N°1/2013 89 Futures normes : un cadre pour faciliter l’application de la radio cognitive la technologie de la radio cognitive et les technologies qui lui sont liées, comme la SDR, sur le marché de masse. Dans la suite de cet article, nous présenterons d’abord une vue sur les systèmes reconfigurables qui seront fondés sur les technologies de la radio cognitive et de la SDR. Nous pré- senterons le rôle des certificats dynamiques qui permettront d’introduire des « Applications Radio » dans un contexte de marché de masse. Ensuite, nous aborderons la question de la révision de la directive R&TTE. Une sélection des futurs amendements à la directive sera présentée et détaillée. Nous détaillerons ensuite les études du groupe ETSI RRS en matière de radio cognitive et de radio reconfigurable, avant de conclure et de présenter les perspectives offertes par ces travaux. Aperçu sur les systèmes reconfigurables Les travaux de normalisation du groupe RRS de l’ETSI et d’autres comités faciliteront l’introduction des « Applica- tions Radio » [7]. Comme indiqué plus haut et illustré par la figure 1, ces « Applications Radio » sont des applications développées par des tiers, c’est-à-dire par des développeurs indépendants, sans liens forts avec les producteurs de la plate-forme mobile concernée. Les utilisateurs des télé- phones mobiles futurs achèteront ces applications parmi une sélection offerte par un « magasin d’Applications Radio » (“RadioApp Stores”). Dès qu’un utilisateur aura acquis un certain nombre « d’Applications Radio », il devra obtenir pour son mobile un certificat dynamique, avant de pouvoir les activer [8]. Ce sera, en effet, une nécessité, puisque chaque utilisateur pourra théoriquement constituer un ensemble dif- férent « d’Applications Radio » sur un même terminal mobile, rendant ainsi nécessaire un certificat propre à chaque termi- nal et à chaque ensemble d'applications avant leur utilisation. Il faut, en particulier prendre en compte le fait que l’instal- lation d’un même ensemble « d’Applications Radio » peut provoquer un comportement différent d’un mobile à l’autre si l’ordre de l’installation des modules diffère pour les mobiles concernés. Les certificats dynamiques représentent, donc, un nouveau type de certificats qui seront mis à la disposition des utilisateurs par des sous-contractants des administra- tions nationales. Le principe est illustré dans la figure 1. Cette approche diffère d’une manière fondamentale de la mise à jour des téléphones mobiles telle qu’elle existe au- jourd’hui. Cette dernière s’appuie sur le processus (Firmware Over the Air) illustré par la figure 2 dans lequel un même logiciel est téléchargé à tous les mobiles d’un certain type. Les « Applications Radio », au contraire, seront choisies d’une manière personnalisée par les utilisateurs et donc les confi- gurations instantanées des mobiles, même d’un même type, pourront varier fortement. Figure 1 : Le principe des « Certificats Dynamiques ». Les développeurs de composants logiciels indépendants créent de nouveaux compo- sants (par exemple en modifiant des techno- logies d’accès radio (RAT)) et les transfèrent à différents « magasins d’Applications Radio ». Des utilisateurs peuvent acquérir, à leur initiative, des « Applications Radio » et plusieurs « Applications Radio » peuvent être installées et utilisées simultané- ment. Il en résulte que chaque terminal client peut avoir une configuration qui lui est propre. Avant d’utiliser de nouvelles « Applications Radio », un certificat doit être obtenu d’une « entité certi- ficatrice » qui agit comme un sous-contractant du régulateur national. Figure2:Leprinciped’unemiseàjourparun“FirmwareOvertheAir(FOTA)”. Une mise à niveau de masse est effectuée sur tous les terminaux d’un type donné Les fabricants de matériel fournissent des composants logiciels nécessaires à l’infrastructure. 90 REE N°1/2013 Article 3(3)g et Article 4 Article 3(3) (g) makes it possible to require software-defined radio equipment to ensure that only compliant combina- tions of software and hardware come together. Article 4 makes it possible to adopt measures to avoid that this regula- tory requirement creates barriers to competition in the market for third-party software Article 3(3)(g): radio equipment supports certain features in order to ensure that software can only be loaded into the radio equipment where the compliance of the combination of software and the radio equipment has been demonstrated. Article 4: Provision of information on the compliance of combinations of software and radio equipment Member States and the Commission with information on the compliance of intended combinations of radio equip- ment and software with the essential requirements set out in Article 3. The Commission shall be empowered to adopt delegated acts in accordance with Article 45 specifying which categories or classes of radio equipment are concerned by the requirement in the paragraph 1, the required information and the operational rules for making the information on compliance available. RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE Ces « Applications Radio » pourraient être utilisées afin d’introduire de nouvelles fonctionnalités, notamment des fonctionnalités propres à la radio cognitive. Pour donner un exemple, de nouvelles méthodes de l’analyse spectrale (“spectrum sensing”) pourront être téléchargées et installées après la mise en vente d’un téléphone mobile, en exploitant en particulier le concept des « Certificats Dynamiques ». Ce cadre pourra aussi être exploité par des opérateurs cellu- laires : une « Application Radio » pourrait être utilisée pour commercialiser des extensions propriétaires d’une norme cellulaire (par exemple 2G, 3G, LTE, etc.) à des clients d’un certain opérateur cellulaire, en lui offrant une différenciation importante sur le marché. Une autre application de ce cadre est envisageable dans un contexte du partage de spectre (“spectrum sharing”) actuellement discuté par la CEPT7 , par le groupe RSPG8 de la Commission européenne et par le groupe RRS de l’ETSI. En effet, de nouvelles bandes de fréquences pourraient ainsi être mises à la disposition des clients par des « Applications Radio ». Dans le cas où les para- mètres d’émission viendraient à changer dans la bande parta- gée, ces nouvelles configurations pourraient également être distribuées par des « Applications Radio ». Il faut également souligner que la vision introduite ci-des- sus n’est pas réalisable dans le cadre réglementaire existant. En effet, la directive R&TTE ne permet pas d’introduire une 7 CEPT : Conférence Européenne des Administrations des Postes et des Télécommunications. 8 RSPG : Radio Spectrum Policy Group. reconfiguration individuelle des téléphones mobiles, puisque les principes de certification prévus par cette directive sont ceux d’une certification de type qui ne sont pas compatibles avec une configuration individualisée de chaque mobile. La Commission européenne a bien noté cette barrière qui rend l’introduction des « Applications Radio » quasi impossible, au moins au niveau des téléphones mobiles. C’est pour ces rai- sons, entre autres, qu’une révision de la directive R&TTE est en cours. Nous la présenterons plus en détail dans la suite. La Commission européenne prépare également actuelle- ment un mandat de normalisation relatif à la radio cognitive. Ce mandat se focalise sur trois axes : sécurité civile. Ce mandat doit être publié début 2013 et sa mise en œuvre sera activement influencée par le groupe de norma- lisation ETSI RRS. Révision de la directive R&TTE Afin d’introduire le concept des « Applications Radio », un changement du régime réglementaire existant est néces- saire. La Commission européenne est en train de réviser le régime réglementaire existant, et la nouvelle version devrait entrer en vigueur en 2014. Actuellement les discussions se focalisent sur deux nouveaux Articles 3(3)g et 4, les propo- sitions actuelles sont données par l’encadré N°1 (le texte Encadré 1: Les nouveaux articles 3(3)g et Article 4 de la directive R&TTE révisée (texte préliminaire, disponible en octobre 2012). REE N°1/2013 91REE N°1/2013 91REE N°1/2013 91REE N°1/2013 91 Futures normes : un cadre pour faciliter l’application de la radio cognitive n’est pour l’instant disponible qu’en anglais). Il faut souligner qu’il est possible que la version finale diffère de cette version datant d’octobre 2012. Le premier paragraphe rend la reconfiguration radio d’un téléphone mobile possible, même si la reconfiguration est individuelle (dans l’esprit des « Applications Radio ») et peut différer d’un mobile à l’autre. La condition principale intro- duite par l’article 3 bis ci-dessus impose qu’après l’installation d’une nouvelle application il soit toujours assuré que l’équi- pement en question opère en conformité avec la directive R&TTE. Puisque des telles conditions sont assez vagues et difficiles à valider sur la seule base du texte de l’article 3 bis, une « norme harmonisée (“harmonized standard”)» devra être développée par l’ETSI afin de détailler les contraintes d’implémentation. Une « norme harmonisée » permet à un constructeur de certifier lui-même un produit comme étant conforme à ce standard. Cette approche est une particularité de l’environnement réglementaire européen. Dans d’autres régions, par exemple aux États-Unis, la notion de « norme harmonisée » n’est pas disponible et la certification doit être assurée par l’administration de l’état (FCC) ou par une entité autorisée. Futures normes concernant la radio reconfigurable Les chapitres ci-dessous détaillent deux activités au ni- veau européen qui donnent une motivation renforcée et particulière pour faire avancer les normes de la radio reconfi- gurable : I) Le « partage du spectre » est étudié sous différents noms par les différents acteurs de la normalisation : “Authorized Shared Access” (ASA) par la CEPT, “Licensed Shared Ac- cess” (LSA) par RSPG et “Cloud Spectrum Services” (CSA) ainsi que ASA et LSA par l’ETSI RRS. Cette technologie jouera un rôle important dans le futur pour fournir aux opérateurs mobiles davantage de spectre afin d’assurer débits et qualité de service pour les futures applications cellulaires. Les normes correspondantes sont en cours de développement par l’ETSI RRS. Le futur mandat de nor- malisation de la Commission européenne sera publié en 2012 et une suite d’activités est prévue en particulier pour le groupe ETSI RRS. II) La révision de la directive R&TTE est en cours comme détaillé dans le chapitre précédent. Ceci implique, d’une part, la normalisation de l’architecture d’un mobile re- configurable qui offrira des possibilités de connexions sans fil multiples (cellulaires, Wi-Fi, Bluetooth, etc.) et, d’autre part, la mise en œuvre du principe des « Applica- tions Radio » [7]. Ces deux orientations sont traitées en Europe par le groupe ETSI RRS. D’autres activités existent, d’une manière moins focalisée, à l’IEEE, DySPAN, IEEE 802, et à l’IETF, IETF PAWS. Concernant le partage de spectre, l’ETSI RRS déve- loppe un document appelé “System Reference Document” (SRDoc) qui vise à établir une coopération officielle entre ETSI et CEPT sur les évolutions de la règlementation, notam- ment le Groupe de Travail FM9 de la CEPT. Dans un premier temps, cette activité se focalise sur la bande de fréquences 2.3 GHz à 2.4 GHz. En effet, cette bande de fréquences est considérée comme un objectif relativement simple, comparé à d’autres bandes supposées être des candidats potentiels pour le « partage du spectre ». Une autre bande bénéficie actuellement d’une attention importante : il s’agit de la bande de la télévision hertzienne dont il est envisagé d’exploiter des « espaces blancs », c’est-à-dire les parties de la bande locale- ment ou à un moment donné inutilisées. Le groupe ETSI RRS prépare plusieurs documents dans ce sens. Le groupe ETSI RRS a commencé à définir l’architecture de mobiles reconfigurables pouvant exécuter des « Applica- tions Radio » en prenant en compte les fonctionnalités re- quises par des mobiles reconfigurables. Des considérations applicables à des stations de base cellulaires reconfigurables ont également été détaillées. Le problème de la certification dynamique a été étudié en détail, et des solutions sont ac- tuellement en phase d’élaboration. D’une manière plus générale, la technologie de la radio re- configurable nécessite un nouvel environnement de sécurité adapté aux besoins de la reconfigurabilité. La référence [9] pré- sente une analyse dans ce domaine. Dans un contexte multi- connexions, multi-technologies, il est aussi d’une importance absolue de disposer d’« informations contextuelles », c’est-à- dire d’informations concernant les normes sans fil utilisées dans une région géographique donnée. La référence [10] dé- taille une solution d’un point de vue d’un opérateur cellulaire. Conclusion La radio reconfigurable est en train de s’imposer dans les produits de communication sans fil. Il existe une volonté politique et technique d’accélérer l’adoption de la technologie au niveau de la réglementation (Commission européenne, RSPG, CEPT, etc.), et au niveau des normes (ETSI RRS, IEEE, IETF). Le marché de la communication sans fil changera sans doute fondamentalement de visage dans les années à venir. Les avantages et les nouvelles applications pour les utilisa- teurs changeront certainement également le mode d’utilisa- tion des mobiles d’une manière fondamentale. 9 FM : Frequency Management. 92 REE N°1/201392 REE N°1/2013 RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE Références [1] ETSI, System Requirements for Operation in UHF TV Band White Spaces, ETSI TS 102 946. [2] ETSI, Mobile Broadband Services in the 2 300 MHz - 2 400 MHz Band under Licensed Shared Access Regime, System Reference Document (SRDoc), 2012. [3] IEEE, “IEEE 1900.7 White Space Radio Working Group”, [En ligne]. Available: http://grouper.ieee.org/groups/ dyspan/6/index.htm. [4] IEEE, “IEEE 1900.6 Working Group on Spectrum Sensing Interfaces and Data Structures for Dynamic Spectrum Access and other Advanced Radio Communication Systems”, [En ligne]. Available: http://grouper.ieee.org/ groups/dyspan/6/index.htm. [5] IEEE, “IEEE 802.11af: Wireless LAN in the TV White Space”, [En ligne]. Available: http://www.ieee802.org/11/Reports/ tgaf_update.htm. [6] Union européenne, « Directive concernant les équipe- ments hertziens et les équipements terminaux de télécommunications et la reconnaissance mutuelle de leur conformité (directive R&TTE) », [En ligne]. Available: http:// ec.europa.eu/enterprise/sectors/rtte/index_en.htm. [7] M. Mueck, V. Ivanov, S. Choi, J. Kim, C. Ahn, H. Yang, G. Baldini & A. Piipponen, “Future of Wireless Communication: RadioApps and Related Security and Radio Computer Framework”, IEEE Wireless Communications Magazine, vol. 19, n°14, 2012. [8] M. D. Mueck, T. Haustein & P. Bender, “Digital and Dynamic Certification in the Framework of the Novel Revised R&TTE Directive in Europe”, 6th Int’l. ICST CROWNCOM 2011, 2012. [9] ETSI, “Reconfigurable Radio Systems (RRS); Security Related Use Cases and Inherent Security Threats in Reconfigurable Radio Systems”, ETSI TR 103 087. [10] ETSI, « “Reconfigurable Radio Systems (RRS); Use Cases for Building and Exploitation of Radio Environment Maps for Intra-Operator Scenarios”, ETSI TR 102 94 ». [11] ETSI, “Reconfigurable Radio Systems Workshop: Towards the Introduction of Reconfigurable Radio Systems in Europe”, 12 December 2012. [En ligne]. Available: http://www.etsi.org/WebSite/NewsandEvents/201212_ RRSWORKSHOP.aspx. Markus Mueck est ingénieur diplômé de L’Université de Stuttgart et de l’Ecole Nationale Supérieure des Télécom- munications (ENST), Paris. Il a d’abord travaillé aux Labo- ratoires Motorola de Paris puis a rejoint en 2008 Infineon Technologies à Munich où il a contribué aux travaux de IEEE 802.16m. Il travaille actuellement pour Intel Mobile Communications et préside le groupe ETSI/RRS chargé de la normalisation de SDR et de la radio cognitive. Markus Mueck est Adjunct Associate Professor à l’Université Mac- quarie de Sydney (Australie). Il a déposé plus de 50 brevets et a publié plus de 80 articles. L'AUTEUR