Mohamed Ghozzi - Recherche de nouvelles ressources spectrales : Radio Cognitive et détection des bandes libres

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1. recherche & développement Recherche de nouvelles ressources spectrales : Radio Cognitive et détection des bandes libres Mohamed GHOZZI France Telecom R&D 24 Mai 2007
2. titre du document/date/auteur – p2 recherche & développement Groupe France 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
3. titre du document/date/auteur – p3 recherche & développement Groupe France Télécom Contexte
4. titre du document/date/auteur – p4 recherche & développement Groupe France Télécom Etat actuel du spectre
5. titre du document/date/auteur – p5 recherche & développement Groupe France 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
6. titre du document/date/auteur – p6 recherche & développement Groupe France 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
7. titre du document/date/auteur – p7 recherche & développement Groupe France 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
8. titre du document/date/auteur – p8 recherche & développement Groupe France Télécom Accès dynamique au spectre radio
9. titre du document/date/auteur – p9 recherche & développement Groupe France 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
10. titre du document/date/auteur – p10 recherche & développement Groupe France 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
11. titre du document/date/auteur – p11 recherche & développement Groupe France 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
12. titre du document/date/auteur – p12 recherche & développement Groupe France 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 :
13. titre du document/date/auteur – p13 recherche & développement Groupe France Télécom Détection d'énergie
14. titre du document/date/auteur – p14 recherche & développement Groupe France 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
15. titre du document/date/auteur – p15 recherche & développement Groupe France 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"
16. titre du document/date/auteur – p16 recherche & développement Groupe France Télécom Détection des propriétés cyclosationnaires
17. titre du document/date/auteur – p17 recherche & développement Groupe France 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
18. titre du document/date/auteur – p18 recherche & développement Groupe France Télécom Modèle aléatoire cyclostationnaire „ Modulation BPSK sans filtrage à l'émission : exemple d'autocorrélation cyclique
19. titre du document/date/auteur – p19 recherche & développement Groupe France 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 ∀
20. titre du document/date/auteur – p20 recherche & développement Groupe France Télécom Intérêt de la détection multi-cycles „ Exemple : détection de canaux de fréquences libres sur la bande TV. „ On se restreint à la TV numérique comme système primaire. „ L'interface radio est du type OFDM (Norme DVB-T) 924 952 1008 1120 231 238 252 280 1056 1088 1152 1280 264 272 288 320 1232 1269,3 1344 1493,3 308 317,3 336 373,3 Ts (µs) 1082 1050 992 892 4329 4201 3968 3571 946 919 868 781 3787 3676 3472 3125 811 787 744 669 3246 3151 2976 2678 α (Hz) 1/32 1/16 1/8 1/4 1/32 1/16 1/8 1/4 1/32 1/16 1/8 1/4 1/32 1/16 1/8 1/4 1/32 1/16 1/8 1/4 1/32 1/16 1/8 1/4 Ig 896 224 1024 256 1194,667 298,667 Tu (µs) 8k 2k 8k 2k 8k 2k mode 8 MHz 7 MHz 6 MHz Larg. Canal
21. titre du document/date/auteur – p21 recherche & développement Groupe France 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 ≠ = ∑
22. titre du document/date/auteur – p22 recherche & développement Groupe France 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 ≠ = − ∑
23. titre du document/date/auteur – p23 recherche & développement Groupe France 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 − − − = = ∑
24. titre du document/date/auteur – p24 recherche & développement Groupe France 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 ≥
25. titre du document/date/auteur – p25 recherche & développement Groupe France Télécom Exemple : détection des canaux de TV libre „ Le bruit : blanc Gaussien de variance inconnue „ Canal multi-trajets : IEEE 802.22 PROFILE B „ Le signal „ OFDM „ 8 MHz „ Mode 2K (1705 porteuses) „ Tu = 224 µs „ Ig = Tu/4 „ Ts = 224 µs, soit α = 3571 Hz „ L'algorithme „ Fe = 9.14 MHz „ Iα = [-20, 20] kHz 0.37 0.17 2.5 0.13 0 0.1 Doppler frequency (Hz) -20 -16 -22 -7 0 -6 Relative amplitude (dB) 11 7 4 2 0 -3 Excess delay (µs) Path 6 Path 5 Path 4 Path 3 Path 2 Path 1 PROFILE B
26. titre du document/date/auteur – p26 recherche & développement Groupe France 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
27. titre du document/date/auteur – p27 recherche & développement Groupe France 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
28. titre du document/date/auteur – p28 recherche & développement Groupe France Télécom Exemple : détection des canaux de TV libre 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 threshold P fa th Ns = 4 Ns = 30 „ Pfa théorique et Pfa simulée „ τ = Tu
29. titre du document/date/auteur – p29 recherche & développement Groupe France 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
30. titre du document/date/auteur – p30 recherche & développement Groupe France 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
31. titre du document/date/auteur – p31 recherche & développement Groupe France 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
32. titre du document/date/auteur – p32 recherche & développement Groupe France 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.