À propos des applications de la radio cognitive

03/04/2013
Auteurs :
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2013-1:3947

Résumé

Cet article traite des applications de la radio cognitive (RC) à la fois dans le domaine civil et militaire au travers du prisme de la réglementation. Nous présenterons d’abord le concept de la RC telle qu’elle a été proposée  par  son  inventeur  Joe  Mitola  III  en  1999.
Puis nous analyserons et identifierons ses usages potentiels aujourd’hui. Le reste de l’article sera dédié aux applications de la RC dans le contexte de l’optimisation de l’utilisation du spectre qui est une des applications phare du moment. Nous rappellerons brièvement le cadre réglementaire de la gestion des fréquences qui encadre  la  mise  en  œuvre  des  nouveaux  systèmes de RC. Nous passerons ensuite en revue successivement les applications civiles puis militaires de la RC
appliquée  à  la  gestion  des  fréquences 1 .  L’auteur  ne prétend pas être exhaustif dans les cas présentés et ses interprétations n’engagent que lui même.


À propos des applications de la radio cognitive

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Puis nous analyserons et identifierons ses usages potentiels aujourd’hui. Le reste de l’article sera dédié aux applications de la RC dans le contexte de l’optimisation de l’utilisation du spectre qui est une des applications phare du moment. Nous rappellerons brièvement le cadre réglementaire de la gestion des fréquences qui encadre  la  mise  en  œuvre  des  nouveaux  systèmes de RC. Nous passerons ensuite en revue successivement les applications civiles puis militaires de la RC<br />
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REE N°1/2013 93 RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE Christophe Le Martret Thales Communications & Security Introduction Cet article traite des applications de la radio cogni- tive (RC) à la fois dans le domaine civil et militaire au travers du prisme de la réglementation. Nous présen- terons d’abord le concept de la RC telle qu’elle a été proposée par son inventeur Joe Mitola III en 1999. Puis nous analyserons et identifierons ses usages po- tentiels aujourd’hui. Le reste de l’article sera dédié aux applications de la RC dans le contexte de l’optimisation de l’utilisation du spectre qui est une des applications phare du moment. Nous rappellerons brièvement le cadre réglementaire de la gestion des fréquences qui encadre la mise en œuvre des nouveaux systèmes de RC. Nous passerons ensuite en revue successive- ment les applications civiles puis militaires de la RC appliquée à la gestion des fréquences1 . L’auteur ne prétend pas être exhaustif dans les cas présentés et ses interprétations n’engagent que lui même. La radio cognitive de Joe Mitola III Le terme « radio cognitive » a été inventé par Joe Mitola III en 1999 et publié la même année dans son mémoire de Licentiate et dans une revue [1] puis déve- loppé dans le cadre de sa thèse [2] l’année suivante. La RC est présentée comme une radio ayant des capacités de raisonnement et capable d’adapter son 1 Le nombre de références a été limité pour se conformer aux recommandations éditoriales de la revue, de nombreuses in- formations données dans cet article n’ont pas pu être référen- cées. Un certain nombre sont toutefois facilement trouvables par une recherche sur internet. fonctionnement à son environnement en fonction du besoin de l’utilisateur. Mitola illustre le fonctionne- ment de la RC par le cycle cognitif “cognitive cycle” de la figure 1 qui est une version améliorée de la classique “OODA loop” (Observe, Orient, Decide and Act) inventée dans les années 50 par le Colonel John Boyd de l’USAF. La RC doit pour cela posséder des fonctions d’apprentissage et de raisonnement, ainsi que des capacités de dialogue entre les éléments internes constituant la radio. D’après Mitola, une RC devrait être capable, par exemple, de connaître le nombre de trajets multiples du canal de propagation en ins- pectant le nombre de coefficients de l’égaliseur à un instant donné. Pour cela, Mitola propose un langage dénommé Radio Knowledge Representation Lan- guage (RKRL) ainsi qu’une architecture associée qui représente une part importante de sa contribution à la RC, rarement mise en avant dans la littérature sur le sujet. Il est important de noter que Mitola est aussi l’inventeur du concept de radio logicielle (voir dans le présent dossier l’article de J. Palicot et Ch. Moy) et se fonde sur l’existence de cette capacité pour légitimer À propos des applications de la radio cognitive This paper discusses the application of cognitive radio (CR) both for civilian and military contexts. It first presents the concept of CR that was proposed by its inventor Joe Mitola III in 1999. It then analyzes and identifies its potential applications. The paper gives a specific focus to applications of the CR for optimizing the use of the spectrum that is one of the key applications of the moment. It first briefly reviews the regulatory framework for spectrum management which rules the implementation of new CR systems. It then reviews the applications of CR to civilian and military contexts applied to spectrum management. ABSTRACT Figure 1: Le cycle cognitif selon Joe Mitola [2]. 94 REE N°1/201394 REE N°1/2013 RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE la possibilité de mettre en œuvre le concept de la RC dans les équipements. Il est intéressant de noter qu’au début des années 60, de nombreux travaux scientifiques avaient déjà été réalisés pour essayer de rendre les systèmes cognitifs [3], mais à l’époque, le niveau technique des radios et leur capacité à intégrer les traitements correspondants ne per- mettaient pas d’envisager la mise en œuvre d’une RC. La RC n’est pas une technologie unique, mais une collec- tion de solutions techniques, ce qui rend difficile d’en donner une définition unique. C’est en fait un concept, qui décrit une radio intelligente qui s’adapte à son contexte pour servir les besoins d’utilisateurs. Cette définition reste très générale, et les différents aspects qu’elle recouvre sont illustrés tout au long des deux rapports de thèse de Mitola, dans lesquels il donne des niveaux graduels de la RC au travers de nombreux exemples. Il définit par exemple sept degrés de cognition ainsi que huit modèles de raisonnements associés. Après les premiers articles de Mitola, différentes communautés se sont emparées du concept pour se l’approprier et en donner une définition qui convenait à l’emploi qu’elles voulaient en faire ; ainsi par exemple, les organismes de standardisation ont adopté leur propre définition, qui même si elles peuvent paraître similaires, ne sont pas identiques. On peut noter que le premier niveau de cognition selon Mitola : “Goal-driven choice of RF band, air interface, and protocol”2 correspond aux travaux en cours sur la RC et reste encore un challenge d’actualité. Le concept de radio cognitive Mitola présente dans ses documents de thèses trois champs d’applications (use cases) de la RC : la gestion de la ressource radio (Radio Resource Management), les pro- tocoles de gestion du réseau (Network Management Proto- cols), et la fourniture de services (Service Delivery). Le premier exemple présente l’idée du partage de spectre (spectrum pooling) afin d’optimiser l’utilisation de la ressource spectrale en fonction du besoin et des priorités des utilisateurs. Cette idée est celle qui a la plus été reprise par la suite et est à la base de la majeure partie des études sur la RC. Ce problème que nous aborderons plus en détail dans les contextes civil et militaire constitue en effet un enjeu majeur compte tenu des difficultés croissantes à introduire de nouveaux systèmes de communication demandeurs de bande de fréquences pour satisfaire des débits toujours plus grands. Dans son deuxième cas d’usage, Mitola propose d’utili- ser le profil des utilisateurs afin d’optimiser les stratégies de transfert (handover) entre cellules, ceci incluant les habitudes 2 Choix de la bande de fréquences, de l’interface radio et du protocole suivant un objectif donné. des utilisateurs, la connaissance a priori de leur déplace- ments… On peut noter que ce type d’approche est simi- laire aux études récentes sur les “social networks” et leurs applications pour l’optimisation des ressources réseaux de type “caching”. On retrouve des idées similaires dans son troi- sième exemple où Mitola nous raconte sous la forme d’une histoire, les mésaventures d’une personne réservant un taxi et se trouvant confrontée à un certain nombre de problèmes technologiques en voulant utiliser des applications sur son smartphone. Puis, il explique comment la RC permettrait de résoudre l’ensemble de ces problèmes. Ces exemples montrent que la partie observation du cycle cognitif est très générale et implique, potentiellement, de la reconnaissance de formes et de langages, l’analyse de com- portement de l’utilisateur et du système… et bien sûr, des mesures de paramètres techniques plus proches de l’ingé- nierie actuelle des réseaux de télécommunications. On peut constater que cette phase d’observation est malheureuse- ment parfois réduite à la mesure dans l’espace fréquentiel (analyse du spectre ou “spectrum sensing”3 ). On peut très bien imaginer une RC sans la moindre mesure de spectre, par exemple, le projet de standard IEEE 802.11af pour l’utili- sation des « espaces blancs » de la télévision (TVWS4 ) pour lequel la phase d’observation se fait par géolocalisation et consultation de bases de données. Un certain nombre de systèmes de communication a déjà utilisé des principes qui peuvent être vus comme de la RC avant que Mitola en eut posé les fondements. On peut citer quelques exemples liés à la gestion du spectre tels que : - tique (ALE5 ) dans la bande HF où les modems sondent différents canaux et choisissent ceux qui donnent les meil- leures performances ; appareils de faible puissance) permettant de cohabiter avec le Wi-Fi dans la bande ISM6 en ajustant son plan de sauts de fréquence en fonction des brouillages perçus ; de la cohabitation entre l’UWB7 et les systèmes cellulaires, le DECT ; 8 /femtocell qui mettent en œuvre des mécanismes d’auto-configuration des ressources radio. 3 On utilisera le terme analyse du spectre dans la suite du document. 4 Television White Spaces. 5 Automatic Link Establishment. 6 Instrumentation Scientifique et Médicale. 7 Ultra Wide Band. 8 Self Organizing Networks. REE N°1/2013 95REE N°1/2013 95REE N°1/2013 95REE N°1/2013 95REE N°1/2013 95 À propos des applications de la radio cognitive De même, le concept de “green radio” peut être vu comme une RC pour laquelle l’objectif est de minimiser l’ef- fet sur l’environnement. Ceci est classique dans l’histoire des sciences où des principes techniques ont été établis bien avant que leur soit consacré un nom connu de tous, on peut citer par exemple le cas du CDMA ou du Water Filling. Un autre élément important associé à la RC est le cross- layer design qui consiste à concevoir des systèmes prenant en compte de manière conjointe au moins deux niveaux des couches du modèle OSI. C’est en fait un des éléments clés incontournables pour la mise en œuvre de la RC. Il per- met en effet de considérer le système de communication d’une manière holistique en prenant en compte de manière conjointe les différentes couches protocolaires et ainsi de : complet ; les décisions du moteur cognitif. Si le problème de gestion optimale du spectre est au- jourd’hui une des applications phares de la RC, compte tenu de la criticité du problème, il ne faut pas pour autant oublier l’ensemble des autres éléments sur lesquels on peut jouer pour améliorer le système et satisfaire le besoin de l’utilisa- teur (ou de l’opérateur). Ainsi, un autre pan tout aussi impor- tant de la RC est la gestion optimisée des ressources (dont la fréquence est un élément particulier). En effet, pour une allocation de bandes de spectre donnée, il faut pouvoir en tirer les meilleures performances en choisissant le meilleur réglage des ressources offertes par l’équipement qui sont de plus en plus nombreuses et complexes, par exemple : sché- ma d’accès, association de bandes, utilisation des antennes multiples (codes espace-temps, précodage, formation de voies…), schémas de retransmission (ARQ, HARQ…), utili- sation du cross-layer... Le concept de RC décrit en fait une évolution naturelle des systèmes radio de plus en plus autonomes, intelligents… mais il est très vraisemblable qu’aucun système ne sera ja- mais estampillé « radio cognitive ». C’est d’ailleurs la réponse que m’avait faite Mitola lors d’un panel à CROWNCOM 2010 à Cannes, où je lui demandais quand est-ce qu’il pensait qu’un opérateur ou un fournisseur présenterait un système ou des équipements avec l’appellation « radio cognitive ». Il en sera de même pour la réglementation et la standardisa- tion, elles évolueront dans l’esprit de la RC mais sans en uti- liser le vocable. Cette difficulté d’identification peut parfois rendre les choses difficiles et malheureusement conduire à un faux débat de type « cognitif ou pas cognitif ? », l’important au final étant que le système fonctionne bien et rende cor- rectement le service pour lequel il a été conçu. On pourrait sans doute retirer le terme RC à 90 % des publications sans leur ôter la moindre valeur scientifique ou applicative. Nous allons à partir de maintenant nous concentrer dans la suite de l’article sur l’utilisation de la RC pour l’optimisation de l’utilisation du spectre radioélectrique. Les aspects réglementaires La réglementation fixe le cadre des usages du spectre pour les radiocommunications, cadre qui s’applique à la mise en œuvre de la RC. Nous en décrivons ici les principes et leurs impacts sur la mise en œuvre des systèmes de RC. Pour plus de détail on pourra se référer à [4]. Le Règlement de Radiocommunications (RR) de l’UIT9 qui s’impose dans n’importe quelle partie du globe édicte les règles de partage des bandes de fréquences entre les services de radiocommunication, règles qui sont ensuite dé- clinées de manières régionale et nationale. Le RR peut attri- buer une bande de fréquences à un ou plusieurs services, et pour chaque service on y décrit les conditions d’usage et de partage des bandes (caractéristiques des émetteurs et des récepteurs : mobile/fixe, terrestre/maritime/spatial…). On trouve par exemple le service de radiodiffusion (pour la radio, la télévision) ou le service mobile terrestre qui inclut notamment la téléphonie mobile grand public. Lorsque plusieurs services partagent une bande, le RR fixe les règles de partage de la bande considérée. On distingue deux statuts de services, primaire et secondaire. Les services ayant un statut primaire ont un accès privilégié au spectre, alors que les services ayant un statut secondaire ne peuvent opérer en même temps que les services à statut primaire qu’à condition de ne pas créer de brouillage préjudiciable aux services primaires et ne peuvent pas réclamer une protection en cas de brouillage. Dans une bande de fréquences on peut trouver plusieurs services à statut primaire et secondaire. L’attribution des services aux affectataires et la gestion de la cohabitation entre les différents services sont du ressort de chaque pays. En Europe, ces déclinaisons nationales sont de plus en plus soumises à des accords européens. En France, l’ANFR est en charge de gérer le spectre des fréquences radioélectriques et délègue à des affectataires la gestion des bandes relatives aux différents services : départements ministériels ou autorités indépendantes. Les décisions par bande de fréquences et par service de radiocommunication sont reportées dans le Tableau National de Répartition des Bandes de Fréquences (TNRBF). Le TNRBF définit aussi dif- férents statuts et règles de gestion associées pour les affecta- taires. Un affectataire de service primaire peut être de statut : 9 Union Internationale des Télécommunications. 96 REE N°1/201396 REE N°1/2013 RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE exclusif, prioritaire, à égalité de droit. Il définit aussi les règles pour les affectataires des services secondaires. Sauf cas spé- cifiques, ce sont les affectataires qui sont responsables de la gestion des bandes de fréquences qui leur ont été attribuées et qui assignent les fréquences dont ils sont responsables. Il est important de noter que les affectataires ne mettent pas forcément en œuvre les droits qui leur sont attribués. Cette gestion est flexible, mais limitée en pratique par les condi- tions techniques de partage qui dépendent des usages envi- sagés ; des applications à usage secondaire pour un usage limité pourront être facilement insérées dans le spectre alors que des usages destinés au grand public seront étudiés avec beaucoup de précautions. Examinons maintenant quelle est la place de la RC dans ce contexte réglementaire. L’UIT, lors de la dernière Confé- rence Mondiale de Télécommunications, a rappelé (de ma- nière synthétique) : I) que tout système de communication, qu’il soit catégorisé comme cognitif ou non doit respecter la réglementation du RR et plus particulièrement en ce qui concerne la protection des affectataires contre le brouillage, II) encourage les administrations à continuer, dans le cadre de l’UIT-R, des études techniques sur la RC. Ce rappel à la réglementation, est conforme à l’esprit du RR, l’alternative aurait été que l’UIT définisse une classe de service « radio cognitive » avec des bandes spécifiques associées, ce qui n’a pas été l’option retenue. Le RR prévoit déjà le partage des services de radiocom- munications dans différentes bandes, de sorte que la plupart des schémas d’optimisation de l’usage du spectre sont po- tentiellement envisageables dans le cadre actuel de la régle- mentation. La mise en œuvre des systèmes RC est donc de la responsabilité des autorités de gestion du spectre euro- péennes et nationales. Deux axes d’optimisation de l’usage du spectre sont envisagés : - tant le nombre de services tels que prévus par le RR, par exemple par la désignation d’affectataires ayant un statut secondaire ; - risant notamment le réaménagement du spectre entre utilisateurs afin de densifier l’usage des fréquences en in- troduisant des améliorations techniques (par exemple des filtrages supplémentaires). Le premier axe est a priori celui qui est le plus immédiat à mettre en œuvre et certains pays ont déjà autorisé l’usage de tels systèmes, comme par exemple le cas des services secondaires dans les TVWS. Le second est pratiqué dans beaucoup de pays, mais certains ne l’envisagent qu’à plus long terme. Dans ce cadre, la Commission européenne (CE) avait lancé en 2005 l’opération “WAPECS10 ” qui consistait à examiner, dans un ensemble de bandes tests harmonisées, la faisabilité de modes de gestion des licences plus flexibles. Par exemple, en recourant à la neutralité technologique qui vise à utiliser n’importe quel type d’accès radio pour peu qu’il respecte des spécifications minimales assurant la protection des autres systèmes. A priori peu de solutions furent propo- sées dans le cadre de WAPECS, et le bénéfice de cette opéra- tion semble avoir été de sensibiliser les différentes acteurs à la problématique d’une gestion plus flexible du spectre avec des prolongements vers un modèle de gestion dynamique. Applications de la radio cognitive dans les systèmes civils La radio cognitive dans le cadre de la coexistence entre utilisateurs dits primaires et secondaires Un des premiers contextes d’emploi de la RC dont s’est emparé le monde académique fut l’utilisation opportuniste du spectre par des utilisateurs ayant un statut secondaire cherchant à utiliser des portions de spectre allouées à des services primaires et non utilisées ou faiblement utilisées à un endroit donné. Ce modèle peut être décliné dans le mode “overlay” (on utilise le spectre laissé vacant) ou “un- derlay” (on utilise le spectre en même temps). Ces modes de coexistence sont compatibles avec le RR et peuvent donc être légalement mis en œuvre. Leur mise en œuvre n’est pas simple car les services ayant un statut secondaire doivent garantir de ne pas causer de brouillage préjudiciable aux services primaires. L’histoire du dé- roulement des processus réglementaires permettant la mise en œuvre de l’ultra large bande (UWB) dans les années 2000, en mode “underlay”, nous en a montré la complexité : la pro- tection de services de radiocommunication particulièrement sensibles aux brouillages et le temps nécessaire à établir les conditions techniques nécessaires ont été deux éléments cru- ciaux. La mise en œuvre de l’UWB implémente le mécanisme “Detect and Avoid” qui peut facilement s’identifier à de la RC. L’application du mode “overlay” pour la RC s’est essentiel- lement portée sur le concept de TVWS pour la réutilisation des bandes allouées à la télévision et disponibles localement par des systèmes autres que la réception TV [5]. Au niveau du RR, pour les régions 1 et 211 , ces bandes sont affectées de manière primaire à un service de radiodiffusion et de ma- nière secondaire à un service mobile terrestre (aux nuances près des différentes régions et pays). 10 Wireless Access Policy for Electronic Communications Services. 11 La région 1 comprend entre autres l’Europe, l’Afrique, les pays de l’ancienne Union Soviétique et une partie du Moyen-Orient, la région 2 comprend entre autre le continent américain et le Groenland. REE N°1/2013 97REE N°1/2013 97REE N°1/2013 97REE N°1/2013 97REE N°1/2013 97 À propos des applications de la radio cognitive Les États-Unis ont été les premiers à autoriser l’utilisation des TVWS en 2010, qui est effective dans plusieurs villes. La réglementation prévoit quatre classes d’équipements. Trois sont exemptées d’analyse du spectre et doivent en contre- partie se géolocaliser et s’enregistrer auprès d’une base de données. Une classe doit utiliser l’analyse du spectre avec des contraintes assez fortes sur la sensibilité de détection et sa puissance d’émission est la plus faible. Au Royaume-Uni, de nombreux essais ont été autorisés et l’OFCOM envisage une autorisation sur tout le territoire en 2013. En France, la bande de radiodiffusion VHF avait fait l’objet de partage sur certaines zones pour des applications professionnelles. En UHF, le CSA est l’affectataire pour la radiodiffusion et l’ARCEP est affecta- taire pour du service mobile à titre secondaire pour des appli- cations d’auxiliaires de radiodiffusion (microphones sans fil, liaisons audiovisuelles) et n’a pour l’instant autorisé l’utilisation de systèmes de type « espaces blancs » que pour des essais. Concernant les standards pour l’utilisation des TVWS, IEEE 802.22 publié en juillet 2011 permet d’établir des commu- nications d’une portée de 10 à 30 km pour des applications de type boucle locale radio. D’autres standards sont en cours d’élaboration comme IEEE 802.11af, encore appelé « super Wi-Fi » ou “White-Fi“. Le standard privilégie une solution fon- dée sur la géolocalisation et l’accès à une base de données. Les applications des TVWS sont multiples. Parmi elles, des applications grand public comme l’accès haut débit de type boucle locale radio ou Wi-Fi. Une autre application qui se dessine avec un potentiel économique important est la communication “machine to machine” (M2M) comme le télérelevé de compteurs, les réseaux de capteurs, SCADA12 … Enfin, contrairement à certaines idées reçues, le fait d’utiliser le spectre dans le cadre d’un service ayant un statut secon- daire (que d’aucun qualifie d’opportuniste) ne veut pas dire sans licence ni nécessairement gratuit, les administrations imposeront les règles de fonctionnement des équipements. La radio cognitive appliquée à l’optimisation du spectre des utilisateurs primaires uniques Les travaux mentionnés dans la section précédente ayant été très médiatisés, certains peuvent avoir tendance à assimi- ler la RC à ce modèle de partage de spectre. Ceci a eu pour effet de rendre la terminologie « radio cognitive » peu attrac- tive pour les diffuseurs et opérateurs de téléphonie cellulaire. Or il existe d’autres modèles de partage du spectre. On trouve par exemple le cas des bandes de fréquences réservées pour des équipements de faible puissance, notamment les fré- quences utilisables par les équipements ISM, parfois dénom- mées “commons” [6], qui consiste à partager une bande entre 12 Supervisory Control and Data Acquisition. plusieurs utilisateurs avec très peu de contraintes (essentielle- ment la puissance maximum, le temps de cycle), mais sans garantie de service. Nous ne traiterons pas ce cas, mais on peut signaler que les standards ont su s’adapter pour gérer au mieux la cohabitation d’utilisateurs et de systèmes différents. Dans le cas d’utilisateurs primaires uniques, qui corres- pond dans le cas de la téléphonie sans fil à des opérateurs ayant obtenu et payé une licence d’exploitation, rien n’inter- dit à l’opérateur de mettre en œuvre des méthodes astu- cieuses basées sur le concept de RC pour partager et utiliser au mieux le spectre dont il a l’usage, comme d’ailleurs le propose Mitola pour ses deux derniers exemples d’usage. Le contexte actuel s’y prête bien puisque la tendance est d‘aller de plus en plus vers la réduction des interventions humaines -notamment le paramétrage- pour déployer des systèmes. Le concept de “Self Organizing Network” (SON,) du 3GPP13 en est une première étape. La mise en œuvre de cellules de très petites tailles comme les femto-cells ren- force le besoin d’auto-organisation/configuration, l’un des premiers paramètres étant la fréquence. Le principe du SON est tout à fait similaire à la philosophie de la RC, ce qui a bien été identifié dans [7]. Même si l’utilisation de la terminologie RC a été très peu associée aux SON et aux systèmes dérivés pour les raisons données précédemment, de plus en plus de travaux récents font spécifiquement référence à la RC. Dans le même ordre d’idée, on peut citer l’utilisation de plusieurs techniques d’accès radio de manière simultanée en incluant à terme le Wi-Fi. Si un certain nombre de ces techniques peuvent déjà être mises en œuvre en accord avec la régle- mentation, les conditions d’autorisation d’utilisation des fré- quences devront évoluer progressivement afin de favoriser au maximum la flexibilité de l’usage des bandes. La radio cognitive appliquée au partage dynamique du spectre L’attribution des licences est un procédé complexe, long et les licences sont accordées pour de longues durées. On peut donc considérer cette gestion comme statique, ce qui a été identifié comme un frein à l’optimisation de l’utilisation des ressources spectrales. Afin de faire évoluer la gestion des licences vers un mode plus dynamique, le Radio Spectrum Policy Group (RSPG) de la CE a lancé une consultation sur la RC fin 2010. En réponse, Qualcomm et Nokia ont proposé le concept d’“Authorized Shared Access“ (ASA) appelant à un assouplissement des règles de gestion des licences. En 2011, le RSPG introduit le concept de “License Shared Access” (LSA). Le LSA autorise l’attribution de nouvelles licences dans 13 3rd Generation Partnership Project, responsable des spécifications des systèmes mobiles de la lignée GSM. 98 REE N°1/201398 REE N°1/2013 RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE des bandes où il existe déjà des licences tout en garantis- sant le respect des règles de partage (au sens du RR) et un niveau de qualité de service donné. Le RSPG encourage les instances de réglementation et de gestion du spectre à étudier et développer le LSA. Ce concept est à l’étude dans le cadre dans les groupes FM 52 et FM 53 de la CEPT. Ces différents concepts qui se rassemblent sous la terminologie de “Shared Spectrum Access” (SSA) ont été analysés dans un document de synthèse [8] qui en présente ses utilisations potentielles ainsi qu’une “roadmap” en trois étapes s’éche- lonnant de 2012 à 2020. Le SSA se rapproche du “spectrum pooling” de Mitola et pour certains, constitue la « vraie » RC, avec des utilisateurs primaires et secondaires, de l’analyse du spectre… Une proposition issue de la communauté académique dénommée “Pluralistic Licen- sing” (PL) a été récemment publiée [9]. Elle est plus audacieuse en termes de flexibilité d’usage et de gestion des licences, per- mettant d’ajuster par la négociation les niveaux de brouillage en fonction du besoin, du coût de la licence… Une initiative simi- laire a été proposée dans le cadre militaire pour l’introduction progressive de bandes dédiées à la RC [10]. La mise en place de ces différents modèles nécessite une modification profonde à la fois des usages existants aux niveaux européen et national. Une gestion dynamique tem- porelle des usages de fréquences, dans le cadre de licences associées à la neutralité technologique, ne sont pas en contra- diction avec le RR et les solutions de type LSA pourraient être mises en œuvre assez rapidement au prix d’une évolution des équipements. La solution PL nécessiterait une révision des conditions techniques de partage des fréquences ainsi qu’une modification du RR pour prendre en compte la pos- sibilité de tolérer des niveaux de brouillages ajustables. Dans ce cadre, une solution d’analyse du spectre disséminée pour les environnements urbains a été proposée dans le cadre du projet Urbanisme des Radio Communications (URC) du pôle de compétitivité System@tic qui pourrait servir à la fois de système de mesures/contrôle pour l’opérateur, mais aussi pour le régulateur et ainsi faciliter le déploiement du SSA [11]. Applications de la radio cognitive dans les systèmes de communications militaires Introduction Le concept de la RC s’applique aussi au contexte des com- munications militaires avec des points communs au monde civil mais aussi des points différenciateurs. Nous nous intéres- sons ici plus particulièrement aux communications tactiques, c’est-à-dire celles qui sont déployées sur des théâtres d’opé- rations. Les militaires ont besoin de systèmes de communi- cation mobile robustes, sécurisés, transportables, offrant des services de phonie, données, vidéo, et donc contraints par des niveaux de Qualité de Service (QoS) donnés. Le sys- tème de communication est une des composantes essen- tielles du succès des missions des forces déployées sur un théâtre d’opérations afin d’assurer à la fois les fonctions de commandement et contrôle, de logistique et de protection des soldats. À noter que de nombreuses similitudes existent entre le contexte militaire et le contexte des forces de sécu- rité civiles (pompiers, police…). Les communications mili- taires sont confrontées au même paradigme que celui du civil, à savoir, une demande croissante en termes de débit (et donc de bande) associée à une congestion croissante du spectre radioélectrique. Le contexte militaire se distingue toutefois par les contraintes supplémentaires suivantes (liste non exhaustive) : Afin d’éviter des nœuds privilégiés pour des raisons de vulnérabilité et de déployabilité, les réseaux sont générale- ment de type ad hoc. Dans ces conditions, il est très difficile d’y mettre en œuvre les techniques récentes adaptées aux systèmes possédant une infrastructure et qui nécessitent des échanges de signalisation conséquents et instantanés entre certains éléments du réseau. Les systèmes doivent être mobiles et les positions des nœuds évoluent constamment en fonction du déroulement de la mission. Ceci entraîne des pertes de connectivité entre les nœuds du réseau qui peuvent dégrader les services, sur- tout en l’absence d’infrastructure fixe. Les équipements volants (avions, hélicoptères, UAV…) compliquent fortement le problème de gestion des fré- quences compte tenu de l’empreinte électromagnétique au sol des aéronefs et de leur mobilité. Dans le civil, le renouvellement rapide des équipements terminaux permet de mettre en œuvre les nouvelles normes ou leurs évolutions avec un rythme de l’ordre de l’année, alors que dans les armées, la durée de vie de service des sys- tèmes dépasse la trentaine d’années. Les nouveaux systèmes doivent donc cohabiter avec les anciens (appelés “legacy”). Les systèmes de communication doivent pouvoir opérer dans des contextes national et multinational (maintien de la paix, coalitions…). Ceci crée des contraintes supplémentaires sachant que le contexte multinational peut se révéler plus contraint en termes de bandes de fréquences disponibles. De plus, l’environnement électromagnétique du théâtre REE N°1/2013 99REE N°1/2013 99REE N°1/2013 99REE N°1/2013 99REE N°1/2013 99 À propos des applications de la radio cognitive d’opération peut n’être que partiellement connu (propaga- tion, émetteurs locaux), contrairement aux systèmes civils pour lesquels des calculs de prédiction de propagation et des mesures d’environnement peuvent être effectués. La présence de composantes de guerre électronique dans les systèmes militaires constitue une différence avec le monde civil. Elle peut être offensive en mettant en œuvre des brouilleurs qui gênent les communications adverses. Il s’agit d’une menace et le système de communication doit être capable de s’adapter en évitant au mieux les brouil- leurs. Une attention particulière devra être portée à ce que le système soit robuste au brouillage de sa signalisation qui peut constituer un point névralgique de la mise en œuvre du réseau. Elle peut être aussi utilisée de manière opportu- niste par le système de communication en s’appuyant sur les équipements permettant de détecter, localiser et analyser les émissions sur le champ de bataille. À cette liste, on peut rajouter une pression très forte du monde civil pour récupérer du spectre militaire pour le dé- ploiement des nouveaux systèmes large bande. Les militaires sont des affectataires au même titre que ceux du domaine civil et sont donc soumis aux mêmes règles. On va donc retrouver un besoin de gestion dynamique du spectre asso- cié à l’optimisation des ressources des équipements pour leur mise en réseau. Les projets sur la radio cognitive militaire États-Unis Aux États-Unis, on trouve les projets XG (neXt Generation) de 2002 à 2008 et WNaN (Wireless Network after Next) de 2007 à 2010, financés par la DARPA (plusieurs dizaines de millions de dollars). Le projet XG avait pour objet de réaliser des études et un premier prototype de RC. Il s’est soldé par une démonstration sur le terrain d’un système radio pou- vant changer de canal de fréquence lorsqu’il détectait que celui-ci était occupé par un système legacy. Le projet WNaN avait pour ambition de réaliser un réseau intelligent, adap- tatif, composé de radios quatre voies agiles en fréquences (900 MHz – 6 GHz). Le programme a fini par une démons- tration de cent nœuds mobiles en octobre 2010. Europe Le projet EDA14 appelé CORASMA (Cognitive Radio for dynAmic Spectrum Management) regroupe sept pays (Alle- magne, Belgique, France, Italie, Pologne, Portugal, Suède) et 16 partenaires académiques et industriels. Le projet est 14 European Defense Agency. piloté par la France, par la DGA du côté étatique et par Thales Communications & Security du côté industriel. Commencé le 19 novembre 2010 pour une durée de trois ans, il a pour objet d’étudier l’application de la RC au contexte militaire. Il comprend différentes études sur la gestion dynamique du spectre, et l’optimisation des ressources dans un contexte de RC. En parallèle, le projet développe une simulation de réseau haute fidélité incluant les trois premières couches OSI descendant jusqu’au niveau des échantillons complexes de la bande de base pour la couche physique. Cette simulation aura la possibilité d’être distribuée sur plusieurs unités de calcul multi-cœurs afin d’accélérer le temps de calcul. Dans le principe, on calcule à chaque élément récepteur du réseau la contribution de tous les autres éléments rayonnants, ceci afin de permettre de bien reproduire les effets des interfé- rences environnantes. On pourra ainsi tester de manière fine, dans un contexte opérationnel, les algorithmes prenant en compte ces interférences (analyse du spectre, allocation de ressources…) ainsi que les performances globales du sys- tème (techniques et opérationnelles). OTAN La STO (Science and Techology Organization) de l’OTAN a lancé un groupe de travail dans le cadre du panel IST (In- formation Systems Technology) appelé “Cognitive Radio in NATO” de 2008 à 2011. Son activité s’est poursuivie par un nouveau groupe “Cognitive Radio in NATO II” qui a démarré début 2012 et devrait se terminer fin 2014. Le contexte OTAN est multinational et le groupe étudie quelles seraient les pre- mières étapes d’introduction de la RC dans les déploiements OTAN afin d’optimiser et de faciliter la gestion du spectre en ajoutant progressivement une composante dynamique. Le groupe travaillera entre autre sur la proposition de road- map faite par le LCL B. Scheers de l’Académie Royale Militaire belge [10]. La radio cognitive dans les systèmes militaires Vers une gestion et une utilisation dynamique du spectre Le constat est qu’il n’existe pas aujourd’hui d’équipement militaire sur étagère estampillé « radio cognitive ». Les raisons sont les mêmes que celles exposées pour le domaine civil : - luent déjà vers une plus grande autonomie, flexibilité dans l’esprit de la RC ; - mentation afin d’autoriser l’utilisation de RC comme propo- sée par exemple dans [10]. 100 REE N°1/2013100 REE N°1/2013 RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE La gestion du spectre dans le domaine militaire est pour l’instant de type « commandement et contrôle », c’est-à-dire que l’allocation des fréquences est établie avant de mettre en œuvre les moyens de communication et chaque équi- pement radio garde en général ses fréquences pour toute la durée de sa mission. Cette gestion est opérée au fil de l’arri- vée et du départ des unités et est réalisée par un opérateur au sein de la cellule de gestion de spectre de l’opération. Tant que les fréquences allouées à une unité ne sont pas libérées par celle-ci à son départ du théâtre, les fréquences continuent à être bloquées même si elles ne sont pas utili- sées. L’allocation est faite suivant des hypothèses de position des nœuds pour permettre la réutilisation de fréquences. Elle est conservatrice en considérant le pire en termes de loca- lisation géographique, de bandes de garde… Compte tenu des contraintes rappelées précédemment et plus particuliè- rement la mobilité, l’utilisation spectre n’est pas optimisée et tout changement imprévu dans la mission peut conduire à des brouillages fratricides. L’évolution vers une gestion et une utilisation dynamique du spectre est donc un enjeu majeur pour les systèmes de communication militaires. La mise en œuvre de la gestion dynamique des fréquences nécessite d’adapter les systèmes actuels à deux niveaux : des fréquences et des procédures associées à la mise en œuvre des mécanismes permettant de véhiculer les infor- mations des nouvelles allocations ; de communiquer avec le système pour recevoir les nou- velles allocations et la capacité de les mettre en œuvre. L’équipement doit donc mettre en œuvre des techniques de type OTA (Over The Air). Pour la mise en œuvre des nouveaux plans de fréquences et de manière plus générale pour pouvoir gérer au mieux leurs ressources radio, les équipements utiliseront la tech- nologie Software Defined Radio (SDR) qui est devenue un standard pour les nouveaux équipements militaires. Comme pour le domaine civil, de nombreuses solutions de gestion dynamique des fréquences sont compatibles avec le RR et peuvent donc être mises en œuvre. Au niveau national, c’est à l’affectataire défense de valider et d’autoriser la mise en service de ces nouveaux systèmes. Cette déci- sion pourrait être plus facile à mettre en œuvre dans le cas où la défense est l’affectataire unique et ne doit pas gérer une coexistence avec d’autres affectataires. Dans un cadre multinational, c’est principalement au niveau de l’OTAN que l’effort devra se porter en lien avec le sous-comité de gestion des fréquences (FMSC15 ) de l’OTAN. 15 Frequency Management Sub-Committee. Une architecture pour la mise en œuvre de la gestion dynamique du spectre La section qui suit décrit une organisation possible pour la mise en œuvre de la gestion dynamique des fréquences dans un système militaire. Elle ne fait aucune hypothèse sur le modèle de partage de spectre considéré et peut donc aus- si bien s’accommoder du cadre usage exclusif que du cadre SSA (dans les bandes militaires ou civiles). Cette architecture s’inspire des travaux réalisés dans le projet CORASMA et le groupe de travail OTAN. L’application de la RC aux systèmes militaires devra por- ter à la fois sur les mécanismes de gestion dynamique du spectre (DSM), et sur l’optimisation des ressources des équi- pements permettant une utilisation optimale des bandes de fréquences allouées par le DSM afin de satisfaire au mieux les besoins opérationnels. L’exemple d’une telle organisa- tion est décrit par la figure 2, elle peut être vue comme une double boucle imbriquée, la boucle externe étant dédiée au DSM et la boucle interne à l’optimisation des ressources des équipements. Le fonctionnement d’une telle organisation doit être fait en adéquation avec l’organisation militaire et les contraintes hiérarchiques de commandement. La partie DSM détermine l’allocation de bandes de fré- quences aux différents réseaux du théâtre représentés par les nuages (qui peuvent être de la même nation ou multi- nationaux) en fonction d’un certain nombre de critères (par exemple le type de mission, les contraintes réglementaires, la tenue de situation tactique…). Le DSM associe de plus des règles d’utilisation “policies” à chaque bande de fréquences (comme la puissance maximum, les priorités…). Cette allo- cation est alors propagée au travers du système jusqu’aux équipements. Figure 2 : Illustration de la double boucle gestion dynamique du spectre et adaptation des ressources radios dans un contexte militaire. REE N°1/2013 101REE N°1/2013 101REE N°1/2013 101REE N°1/2013 101REE N°1/2013 101 À propos des applications de la radio cognitive Intervient alors la boucle interne où les équipements de RC, mis en réseau, effectuent localement des adaptations de type cycle cognitif [2] afin d’optimiser les ressources radio, les protocoles…, les canaux de fréquences de trans- mission (données et signalisation) étant une des ressources radio particulière à choisir parmi l’ensemble des fréquences allouées par le DSM. Enfin, les réseaux font remonter vers le DSM à travers l’organisation du réseau un certain nombre d’informations pertinentes pour effectuer un nouveau calcul d’allocation. On peut aussi imaginer que le DSM puisse commander des requêtes vers les équipements pour effectuer des mesures (de type analyse du spectre par exemple) dans la limite de la capacité des équipements de transmission afin d’aider à dresser une tenue de situation des fréquences. Le cycle DSM pourrait être de l’ordre de l’heure, d’une demi-journée… suivant la dynamique du réseau et son envi- ronnement. La boucle interne quant à elle doit être réalisée au plus près de l’équipement, avec une périodicité de l’ordre de la seconde, voire milliseconde, permettant une adaptation locale rapide réagissant à des évènements spontanés et non maîtrisés du théâtre (obstacles, brouilleurs, co-localisation de réseaux fonctionnant sur les mêmes bandes…). Conclusions Nous avons présenté dans cet article une analyse de la RC et ses différentes applications, civiles et militaires, sous le prisme de la gestion du spectre et de la réglementation s’y rapportant. Même s’il existe de nombreuses similitudes entre les contextes du monde civil et militaire, les schémas d’application de l’un semblent difficilement pouvoir s’appli- quer à l’autre. L’ensemble des systèmes de communication progressent et progresseront dans l’esprit de la RC comme définie par Mitola. Même si la terminologie RC ne sera probablement pas utilisée pour les futurs systèmes, l’intérêt d’avoir posé le concept est multiple. Il a permis de rassembler sous une même thématique de nombreuses expertises techniques variées en essayant de les faire collaborer pour les associer à un objectif commun, déclenchant un nouvel engouement dans le domaine de la recherche, dans le domaine des télé- communications et du traitement du signal. Enfin, il a suscité des travaux au niveau de nouvelles techniques de gestion du spectre, afin d’optimiser son usage dans un contexte de pé- nurie de fréquences dans certains espaces. On constate que généralement les solutions de RC proposées sont conformes au RR et peuvent être déjà mises en œuvre. Cette décision revient aux autorités nationales et dépasse le seul aspect simplement technologique. On peut noter un effort euro- péen d’harmonisation de la gestion des fréquences afin de faciliter une utilisation plus souple du spectre, telle que la neutralité technologique. Le contexte militaire se distingue du domaine civil par des contraintes opérationnelles différentes et nécessite des solutions techniques spécifiques. Une gestion d’utilisations dynamiques des fréquences permettrait une optimisation de l’usage de la ressource spectrale se traduisant de manière certaine par des gains au niveau opérationnel. La mise en œuvre de ces nouvelles techniques doit être adaptée au RR. Dans un cadre national, c’est à l’affectataire Défense de vali- der et d’autoriser la mise en service de ces nouveaux sys- tèmes. Dans un cadre multinational, l’effort devra se porter au niveau de l’OTAN. Remerciements L’auteur remercie ses collègues R. Massin et Y. Livran ainsi que T. Defaix de DGA-MI et J.-J. Guitot de l’ANFR pour leurs relectures et discussions fructueuses et P. Collet pour les nombreux échanges et travail de mise au point de cet article. Références [1] J. Mitola III, G. Q. Maguire Jr., “Cognitive Radio: Making Software Radios More Personal”, IEEE Personal Communications, vol. 6, n° 14, pp. 13-18, Aug. 1999. [2] J. Mitola III, “Cognitive Radio - An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio”, 2000. [3] P. L. Simmons, R. F. Simmons, “The Simulation of Cognitive Processes: An Annoted Bibliography”, IRE trans. on Electronic Computers, pp. 462-483, September 1961. [4] 2008. [En ligne]. Available: http://www.anfr.fr/fileadmin/ mediatheque/documents/organisation/gestion_spectre.pdf. [5] T. Baykas, M. Kasslin, M. Cummings, H. Kang, J. Kwak, R. Paine, A. Reznik, R. Saeed & S. J. Shellhammer, “Developing a Standard for tv White Space Coexistence: Technical Challenges and Solution Approaches”, IEEE Wireless Communications, pp. 10-22, February 2012. [6] M. M. Buddhikot, “Understanding Dynamic Spectrum Access: Models, Taxonomy and Challenges”, Proceedings of IEEE DySpan Conference, Dublin, 2007. [7] N. Marchetti, J. Johansson & T. Cai, “Self-Organizing Networks: State-of-the-Art, Challenges and Perspectives”, Proceedings of the 8th International Conference on Communications (COMM), Bucharest, 2010. [8] S. Forge, R. Horvitz & C. Blackman, February 2012. [En ligne]. Available: http://ec.europa.eu/information_ society/policy/ecomm/radio_spectrum/_document_ storage/ studies/shared_use_2012/ scf_study_shared_ spectrum_access_20120210.pdf. 102 REE N°1/2013102 REE N°1/2013 RADIO LOGICIELLE, RADIO COGNITIVE [9] O. Holland, L. De Nardis, K. Nolan, A. Medeisis, P. Anker, L. F. Minervini, F. Velez, M. Matinmikko & J. Sydor, “Pluralistic Licensing”, Proceedings of IEEE DySPAN C, Washington, 2012. [10] B. Scheers, A. Mahoney & H. Akerman, “A Realistic Roadmap for the Introduction of Dynamic Spectrum Management in Military Tactical Radio Communications” Proceedings of Military Communications and Information Systems Conference, 2012. [11] C. J. Le Martret, I. Fijalkow & S. Buljore, “Urban Planning for Radio Communications (URC): A solution to the Spectrum Management Challenge”, Proceedings of the IEEE PIMRC Conference, Cannes, 2008. Christophe Le Martret a obtenu un doctorat en « traitement du signal et communications » en 1990 et l’habilitation à diriger des recherches en 2010. Il est membre sénior de l’IEEE et de la SEE. Il travaille comme expert chez Thales Communications & Security dans le domaine du traitement du signal et des systèmes de communication sans fil. Ses activités présentes couvrent la conception d’accès radio avec optimisation inter-couches pour les réseaux mobiles ad hoc ainsi que la radio cognitive. Il est actuel- lement responsable du projet CORASMA de l’agence de défense européenne sur la radio cognitive et Technical Team Leader du groupe de travail OTAN “Cognitive Radio in NATO II”. L'AUTEUR