Télécom Contexte Accès dynamique au spectre Approches de détection Détection d'énergie Détection des propriétés cyclostationnaires Exemple : détection des canaux de TV libres Conclusion sommaire
Télécom Etat actuel du spectre Le spectre des fréquences est totalement attribué. La politique actuelle de gestion du spectre ancienne centralisée Statique Les objectifs de cette politique Définir et attribuer les bandes de fréquences adéquates à chaque interface radio Protéger les systèmes existants entre eux et des intrusions externes Cette politique a atteint ces objectifs dans le passé. Cependant elle n'a pas résolu le problème de pénurie de fréquences qui existe depuis longtemps Dans le passé, ce problème a été surmonté en inventant de nouveaux concepts : En 1964, allocation dynamique d'un canal radio à une nouvelle communication pour sa durée En 1971, le concept cellulaire Le multiplexage temporel et le passage de la transmission analogique à la transmission numérique En 2002, la FCC a crée un groupe de travail sur la gestion actuelle du spectre et les améliorations à apporter à cette politique. Ce groupe de travail constate que le spectre n'est pas efficacement utilisé : certaines bandes sont surchargés et d'autre sont sous-utilisées
Télécom Mesures d'occupation du spectre Exemple d'occupation de la bande à 2,4 GHz le 01/09/04 dans la ville de NY. Exemple d'occupation d'une partie des bandes TV le 01/09/04 dans la ville de NY
Télécom Mesures d'occupation du spectre Des mesures sur l'occupation du spectre ont été effectuées dans six villes aux USA. En moyenne le pourcentage d'occupation du spectre est de 6%. Le spectre n'est pas efficacement utilisé. Certaines bandes sont surchargées alors que d'autres sont sous-exploitées Le problème de pénurie des fréquences n'est qu'artificiel La gestion statique du spectre et à l'origine de cette problématique
Télécom Accès dynamique du spectre Fréquences Puissance Temps Bandes libres Bandes occupées L'accès dynamique au spectre radio (DSA) est la solution Réutilisation des bandes de fréquences libres
Télécom Les approches de détection Détection bandes libres Canal Pilote Détection coopérative Détection des émetteurs Température d'interférence Modèle aléat. Cyclostat. Détect. des Propriétés Cyclostat. Modèle aléat. stationnaire Détection filtre adapté Détection d'énergie Géolocal. et base de données Radio Cognitive
Télécom La Radio Cognitive Le concept de la RC est apparu en 2000 avec le travaux de thèse de J. Mitola Il définit une classe de terminaux capables de mesurer les paramètres de l'environnement dans lequel ils évoluent et changent leurs paramètres en conséquence Un terminal RC est autonome, il joue un rôle actif dans son réseau, Il prend des décisions, etc. Dans le cas de la DSA, le paramètre d'environnement mesuré est la ressource spectrale. Un exemple pratique de l'application de la RC est les bandes TV : Bandes larges 400 Æ 800 MHz Canaux de taille importante 6, 7 ou 8 MHz Une bonne qualité de propagation des ondes radio Le passage à TNT va libérer plus de canaux Dernièrement en 2004, la FCC a autorisé aux terminaux RC d'émettre sur cette bande Une norme IEEE 802.22 est en cours
Télécom La radio cognitive Le bruit b(t) est stationnaire Pas de démodulation du signal Contenu de la bande à tester : connu, inconnu Architecture d'un terminal RO: ) ( ) ( ) ( ? 1 t b t x t y i i + = ∑ = CAN Détecteur Y(t) ) ( ) ( t b t y = H0 : H1 :
Télécom Détection d'énergie La méthode la plus connue est le radiomètre Le signal radio est considéré stationnaire Bruit additif blanc gaussien de DSP N0 connue. K ∝ N0 2 • 0 T d t • ∫ 0 1 H H K Y → → < > W
Télécom Détection d'énergie Incertitude sur N 0 : erreurs de calibration Variation de la température • Changement du buit thermique • Changement du gain de l'amplificateur LNA Erreurs d'estimation dues à la présence d'interférence Exemples de calcul de l'incertitude : Bruit thermique est donné par N0 = Kb T Si T passe de T1 à T2 , ΔN0 = 10Log(T2 /T1 ), exp. ΔT = 20°C, ΔN0 = 0.28 dB Un exemple de LNA [2] utilisé sur la bande 700 à 1000MHz, le gain change de 0.01 dB/°C, soit Δg = 0.2 dB pour ΔT = 20°C Erreur sur l'estimation initiale de la puissance < 2.2 dB Incertitude totale U = ± 1dB. Nouvelles performances du détecteur d'énergie Phénomène du "SNR Wall"
Télécom Modèle aléatoire cyclostationnaire les signaux de télécoms sont des signaux aléatoires cyclostationnaires Le test d'une BL est équivalent au test d'hypothèses suivant : H0 y(t) est stationnaire H1 y(t) est cyclostationnaire Un signal aléatoire x(t) de moyenne nulle est dit cyclostationnaire à l'ordre n si ces propriétés statistiques jusqu'à l'ordre n sont périodiques en fonction du temps. Par exemple à l'ordre 2, on a: et Développement en séries de Fourrier de l'auto-covariance : est dite fréquence cyclique, est dite auto-covariance cyclique est nulle si proc. stati et non nulle si proc. Cyclostat. ( ) ( ) x x m t T m t + = ( , ) ( , ) xx xx c t T c t τ τ + = 2 ( , ) ( , ) j t xx xx c t C e πα α τ α τ = ∑ k T α = ( , ) xx C α τ ( , ) xx C α τ
Télécom Détection Cyclostationnaire Le signal reçu y(t) est composite, . Si on suppose que les signaux sont indépendants entre eux, alors pour α ≠ 0, on a : Le test d'une BL devient équivalent au test d'hypothèses suivant : H0 et H1 C'est un test de présence des propriétés cyclostationnaires dans le signal reçu Deux cas : Fréquences cycliques α connues • Test de A. V. Dantawaté et G. B. Giannakis (1994) • Réutilisé par M. Öner et F. Jondral (2004) pour détecter des signaux connus a priori Fréquences cycliques α inconnues • Répéter le test précédent sur plusieurs fréquences cycliques (thèse de P. Marchand, 1998) ( ) ( ) ( ) i i y t x t n t = + ∑ ( ) i x t ( , ) ( , ) i i yy x x i C C α τ α τ = ∑ ( , ) 0 yy C α τ = ( , ) 0 yy C α τ ≠ α ∀ τ ∀
Télécom Détection multi-cycles Extension du test de A. V. Dandawaté et G. B. Giannakis sur un intervalle de fréquences cycliques. Soit . Lorsque la bande est libre, S th (τ) est nul ∀τ et quand la bande est occupée, S th (τ) est non nul sur certains retards τ L'idée du test consiste, pour α ∈ à un certain intervalle Iα donnée, à vérifier si cette quantité est nulle. Si c'est vrai on conclue que la bande n'est pas occupé par un signal cyclostationnaire de fréquence(s) cyclique(s) dans Iα . Dans le choix de l'intervalle Iα ainsi que l'ensemble des retards sur lesquels on effectue le test, on peut se servir du minimum d'informations a priori que l'on dispose Par ex. pour la TV, choisir les retards égaux au Tu, soient un ensemble de 8 retards. Pour Iα , choisir par exemple l'intervalle [-10, 10] kHz. 2 0 ( ) ( , ) th yy S C α τ α τ ≠ = ∑
Télécom Détection cyclostationnaire S m (τ) version modifié de S th (τ), sans biais et consistant de C yy (α,τ) : On établit l'estimateur suivant de S m (τ) : avec et Architecture de l'estimateur 1 ( ) 2 0 1 ˆ ( , ) ( ) ( ) T T j t yy t C y t y t e T πα α τ τ − − = = − ∑ 1 ( ) 0 1 0 1 ˆ ( ) ( , ) ( , ) T T m t S y t y t T τ τ τ − = = ∑ 0 1 ( , ) ( ) ( ) y t y t y t T τ τ = − 1 0 ( , ) ( , ) ( ) y t y t RC t τ τ = ⊗ τ RC(t) 1 0 1 T t T − = • ∑ ( ) y t 1 T 0 ( ) y t 1 ( ) y t ( ) ˆ ( ) T m S τ 2 0 ( ) ( 1) ( , ) k m yy e k S C k τ α τ ≠ = − ∑
Télécom Détection cyclostationnaire L'estimateur de Sm (τ) est dans biais et consistent On peut écrire avec Pour T grand, est un processus aléatoire gaussien de moyenne nulle et à échantillons indépendants, c. à.dire pour , et sont indépendants. La variance de est donnée par : avec Nouveau test d'hypothèses: H0 H1 ( ) ˆ lim ( ) ( ) T m m T S S τ τ →∞ = ( ) ( ) ˆ ( ) ( ) ( ) T T m m S S τ τ ε τ = + ( ) lim ( ) 0 T T ε τ →∞ = ( ) ( ) T ε τ γ ρ ≠ ( ) ( ) T ε γ ( ) ( ) T ε ρ ( ) ( ) T ε τ ( ) ( ) ˆ ( ) ( ) T T m i i S τ ε τ = ( ) ( ) ˆ ( ) ( ) ( ) T T m i m i i S S τ τ ε τ = + 1, , i n = L 2 ( ) 1 1 2 ( ) n n T i j i j i I T τ π σ β β = = ⎡ ⎤ = ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ∑ ∑ 2 1 ( ) ( 1) 2 0 1 0 ( ) ( , ) ( , ) T T i t t I T y t y t e πλ τ λ τ τ − − − = = ∑
Télécom Détection cyclostationnaire Statistique de test : Sous H0 , suit une loi Sous H1 , suit une loi Algorithme de test Entrées : • Les échantillons y(t), t=0,…,T-1 • Intervalle des fréquences cycliques Iα • Vecteur τ = [τ 1 ,…, τ n ] • P fa Etapes : • À partir de la connaissance de , calculer les coefficient du filtre RC • calculer et , i = 1,…,n • Calculer la statistique de test • À partir de la table de la loi , déterminer le seuil de détection tel que • Si déclarer la bande occupée, sinon, la bande est libre ( )2 ( ) ( ) 2 1 ˆ ( ) ˆ T m m i T i i S τ θ σ = = ∑ ( ) ˆ T θ 2 n χ ( ) ˆ T θ 2 ( ) n χ θ ( ) ˆ ( ) T m i S τ 2 i σ ( ) ˆ T θ 2 n χ 2 ( ) n fa P P χ ζ ≥ = ( ) ˆ T θ ξ ≥
Télécom Exemple : détection des canaux de TV libre 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 P fa P m Ns = 4 Ns = 4 Ns = 6 Ns = 6 Ns = 10 Ns = 10 Pm en fonction de la Pfa pour SNR = 0 τ = Tu
Télécom Exemple : détection des canaux de TV libre 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 P fa P m Ns = 10 Ns = 10 Ns = 15 Ns = 15 Ns = 30 Ns = 30 Pm en fonction de la Pfa pour SNR = -5 τ = Tu
Télécom Exemple : détection des canaux de TV libre 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 P fa P m I α = [0 20000] I α = [0 10000] I α = [0 5000] Pm en fonction de la Pfa pour SNR = -5 Ns =10 τ = Tu
Télécom Exemple : détection des canaux de TV libre Pm en fonction de la Pfa pour SNR = -5 Canal multi- trajets de type b (802.22) τ = Tu 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 P fa P m sp, Ns = 15 mp, Ns = 15 sp, Ns = 30 mp, Ns = 30
Télécom Exemple : détection des canaux de TV libre 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 P fa P m 1 ret., α1 + ret., α1 + ret., α2 Pm en fonction de la Pfa pour SNR = -5 Ns = 30 τ = Tu1 , …,Tu6
Télécom Conclusion Le radiomètre solution simple ne nécessite aucune connaissance sur le contenu de la bande. sensible aux variations du niveau du bruit La détection cyclostationnaire : ne nécessite aucune connaissance sur le bruit bonnes performances à faible RSB nécessite quelques connaissances sur le ou les signaux à détecter. plus complexe Solution de détection hybride.
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