Brevet FR3039351A1 — publié le 20170127

Procédé d'accès opportuniste au spectre 1. Domaine de l'invention L'invention se rapporte à l'exploitation des ressources spectrales et plus particulièrement à l'accès opportuniste au spectre pour des communications radio. L'allocation statique des bandes de fréquence à différentes applications et services de communication radio sans fil a abouti à une pénurie de ressource spectrale. Néanmoins de nombreuses études ont montré une sous-utilisation chronique des bandes de fréquence considérées, ce qui représente une opportunité importante de communication. C'est dans ce contexte qu'a été proposé le concept d'accès opportuniste au spectre. 2. Art antérieur Le concept d'accès opportuniste au spectre définit deux classes d'utilisateurs : les utilisateurs primaires et les utilisateurs secondaires. Les utilisateurs primaires sont prioritaires pour l'accès aux ressources spectrales qui sont dédiées à leurs services. Les utilisateurs secondaires, par opposition aux utilisateurs primaires, sont des utilisateurs non prioritaires souhaitant utiliser l'opportunité d'accès à des ressources spectrales inutilisées par les utilisateurs primaires à un instant donné. Il convient alors d'optimiser la méthode d'accès opportuniste des utilisateurs secondaires aux bandes de fréquence d'un réseau primaire qui est utilisé également par une population d'utilisateurs primaires prioritaires. On considère uniquement un réseau primaire synchrone, c'est à dire pour lequel le temps est découpé en intervalles de durée constante, également appelés trames temporelles dans la présente divulgation. La bande de fréquence dédiée au réseau primaire est divisée en K sous-bandes de fréquences indépendantes appelées canaux. Au cours de chaque trame temporelle t, chaque canal est soit dans un état « libre », et ce canal représente alors pour un utilisateur secondaire une opportunité d'accès au spectre correspondant, soit dans un état « occupé », le canal étant par exemple utilisé par un utilisateur primaire durant cette trame temporelle particulière. Dans la suite de la présente divulgation, on appellera « utilisateur secondaire » l'équipement radio, muni de différents détecteurs lui permettant de collecter des informations sur son environnement et en particulier sur l'état dans lequel se trouve au moins un canal k lors d'une trame temporelle t. L'utilisateur secondaire est également muni de moyens de communication radio (émission, réception), de mémoire électronique, d'au moins un élément de 3039351 2 calcul de type microprocesseur et d'une batterie. Un produit programme d'ordinateur exécuté par le microprocesseur permet de faire fonctionner le dispositif. On considère habituellement que l'utilisateur secondaire n'a a priori aucune connaissance sur la disponibilité des différents canaux à un instant t, ni sur la probabilité qu'un canal k 5 particulier soit disponible à un instant t. Pour exploiter de façon optimale les ressources spectrales, il va alors devoir apprendre les caractéristiques du réseau primaire, et en particulier estimer la probabilité de disponibilité de chaque canal. L'utilisateur aura à sa disposition de nombreuses variables qui vont être calculées et affinées au fur et à mesure qu'il collectera des informations sur son environnement. Ces variables doivent être initialisées, par exemple en étant 10 fixées à une valeur arbitraire, ou bien en procédant à une phase d'initialisation balayant au moins une fois chaque canal. Dans le formalisme de l'apprentissage par renforcement, un agent intelligent observe son environnement décrit par un état, puis cet agent intelligent prend une décision aboutissant à une action, et l'agent reçoit une récompense (également appelée gain) fonction de l'action et de 15 l'état. De nombreuses méthodes d'accès opportunistes selon l'art antérieur utilisent un processus de décision Markovien pour modéliser l'évolution de l'état d'un canal. Dans le contexte considéré, l'agent intelligent est le programme exécuté par le microprocesseur de l'utilisateur secondaire : il observe son environnement et lors de chaque trame temporelle il décide de tenter une communication avec un utilisateur secondaire distant en 20 utilisant un canal k particulier pendant une trame temporelle t. La communication échouera ou sera effectuée selon que le canal était occupé ou libre pendant la trame t considérée. Le modèle dit de bandit manchot (Multi Armed Bandit en anglais) est un cas particulier de processus de décision pouvant s'appliquer à un modèle Markovien du réseau primaire, et plus particulièrement de l'occupation des canaux fréquentiels par les utilisateurs primaires, dans 25 lequel on considère l'agent intelligent comme un joueur de casino devant choisir une machine à sous sur laquelle il va jouer, parmi plusieurs machines à sous ayant différentes probabilités de gain. Si le joueur avait une connaissance précise des probabilités de gain, il choisirait systématiquement la machine ayant la plus forte probabilité afin de maximiser ses gains. N'ayant 30 pas connaissance a priori de ces probabilités, il va essayer de les estimer en jouant sur les différentes machines à sous. 3039351 3 Dans le contexte considéré, chaque canal k est modélisé comme une machine à sous ayant une probabilité inconnue d'être libre (gain). Le procédé d'accès opportuniste présentée dans la présente divulgation à pour objectif d'améliorer la performance moyenne par rapport aux méthodes basées sur le modèle de bandit 5 manchot selon l'art antérieur. Plus précisément au moins un mode de réalisation permet d'augmenter le débit des données transmises ou reçues par l'appareil radio. Au moins un mode de réalisation permet également d'améliorer la consommation énergétique de l'appareil radio. 3. Figures 10 D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation particulier de la divulgation, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : Fig. 1 représente de façon schématique le principe de l'accès opportuniste, par un utilisateur secondaire, au spectre d'un réseau primaire synchrone selon l'art antérieur ; 15 Fig. 2 représente de façon schématique un procédé d'accès opportuniste d'un utilisateur secondaire à une bande de fréquences selon un mode de réalisation de la présente divulgation ; Fig. 3 représente de façon schématique un procédé d'accès opportuniste à une bande de fréquences selon un autre mode de réalisation de la présente divulgation ; Fig. 4 représente de façon schématique le principe de l'accès opportuniste, par un 20 utilisateur secondaire, au spectre d'un réseau primaire synchrone selon un mode de réalisation conforme à la présente innovation. 4. Mode de réalisation On décrit, en relation avec les figures Fig. 2 à Fig. 4, un mode de réalisation conforme à 25 l'innovation proposée dans la présente divulgation. De façon classique, un réseau primaire synchrone met à disposition d'une communauté d'utilisateurs primaires prioritaires une bande fréquence décomposées en K sous-bandes appelées canaux. Les utilisateurs primaires n'utilisent pas en permanence l'intégralité des ressources 30 spectrales, ce qui offre des opportunités d'utilisation des ressources spectrales inutilisées par des utilisateurs secondaires non prioritaires. Un tel réseau primaire peut par exemple être prévu pour la sécurité civile : il doit être immédiatement disponible pour les organismes de sécurité civile en 3039351 4 cas de besoin, mais le plus souvent le réseau est faiblement utilisé, et présente donc une ressource de spectre disponible à laquelle des utilisateurs secondaires peuvent accéder de façon opportuniste. D'une façon générale, l'accès opportuniste au spectre par les utilisateurs secondaires reste transparent pour les utilisateurs primaires qui ne perçoivent aucune 5 modification ni dans le fonctionnement ni dans la qualité du service fourni. Fig. 1 représente de façon classique une matrice temps-fréquence de disponibilité des K canaux sur une petite durée de quelques trames temporelles, les canaux libres étant représentés en blanc et les canaux occupés en gris. Un utilisateur secondaire cherche à obtenir un accès opportuniste à ce réseau primaire. 10 L'utilisateur secondaire associe, sur la base de ses expériences effectuées jusqu'ici, à chaque canal k un index Bk , qui peut varier à chaque trame temporelle, notamment en fonction d'une disponibilité moyenne k du canal k empiriquement obtenue sur ses expériences passées. Comme l'utilisateur secondaire ne connaît pas a priori les caractéristiques du réseau primaire auquel il veut accéder, les variables Bk et Sk sont initialisées par exemple en leur attribuant des valeurs 15 arbitraires ou bien en procédant à une phase d'initialisation balayant chaque canal k au moins une fois. Comme représenté schématiquement Fig. 2, au début de chaque trame temporelle t, l'utilisateur secondaire procède à une étape d'observation 10, pour vérifier la disponibilité du canal i dont l'index B(t) est le plus élevé. Différentes méthodes classiques de détection peuvent 20 être utilisées, comme un détecteur d'énergie (radiomètre), ou bien un détecteur de cyclostationarité. Si le canal i n'est pas disponible pour cette trame temporelle t, alors l'utilisateur secondaire calcule lors d'une étape 20 une disponibilité moyenne (t) du canal i, et attend la prochaine trame temporelle t+1 pour tenter d'établir une communication radio avec un 25 utilisateur distant. Si le canal i est disponible pour cette trame temporelle t, alors l'utilisateur secondaire initie une communication radio 30 avec un utilisateur distant, en utilisant les ressources spectrales du canal i. L'utilisateur secondaire calcule une disponibilité moyenne (t) du canal i lors d'une étape 40. 30 Que le canal i soit disponible ou pas pendant la trame temporelle t, l'index B, (t) sera mis à jour lors d'une étape 50 en fonction de (t) pour permettre à l'utilisateur secondaire d'observer 3039351 5 puis éventuellement d'utiliser pendant la trame temporelle t+1 le canal j dont l'index I31 (t+1) sera le plus élevé. Les indices Bk étant chacun mis à jour en fonction de la disponibilité moyenne k du canal considéré, l'utilisateur secondaire exploite les résultats des phases d'observation successives, de 5 façon à privilégier les canaux les plus souvent disponibles. Jusqu'à ce point la méthode d'accès opportuniste décrite est similaire à d'autres méthodes décrites dans l'art antérieur. Ces procédés aboutissent dans l'exemple représenté Fig. 1 à un choix plus fréquent des canaux 2 et K, car au fur et à mesure que l'utilisateur secondaire explorera son environnement, les indices B2 et Bk augmenteront par rapport aux indices des 10 autres canaux qui sont moins fréquemment disponibles. Mais, du point de vue de l'utilisateur secondaire, tous les canaux libres ne se valent pas. En effet, si tous lui permettent effectivement d'initier une communication avec un utilisateur distant, certains canaux disponibles lui offrent une meilleure qualité que d'autres. La méthode d'accès opportuniste selon la présente divulgation permet de sélectionner en priorité les canaux à 15 la fois disponibles et proposant la meilleure qualité. Selon un premier mode de réalisation représenté Fig. 2, lorsque le canal i est disponible et que ses ressources spectrales sont utilisées par l'utilisateur secondaire pour effectuer une communication radio avec un utilisateur distant, un indice de qualité R, (t) du canal i est calculé au cours de la trame temporelle t lors d'une étape 60. A la fin de la trame temporelle t, les indices Bk 20 (t) de tous les canaux sont mis à jour en fonction de la disponibilité moyenne (t) et de l'indice de qualité R,(t) du canal i. L'indice de qualité R, (t) du canal i peut être calculé de différentes manières. Selon un mode de réalisation, le rapport signal sur bruit (en anglais Signal Noise Ratio ou SNR) est mesuré pendant la transmission de données durant la trame temporelle t, et utilisé pour calculer l'indice 25 de qualité R, (t). Selon un autre mode de réalisation, c'est le rapport signal sur bruit plus interférence (en anglais Signal Interference and Noise Ration ou SINR) qui est mesuré pendant la transmission de données, et utilisé. Dans un autre mode de réalisation, c'est la consommation électrique de l'utilisateur secondaire pendant la transmission de données qui est estimée ou mesurée, et utilisée pour 30 calculer l'indice de qualité R,(t). Selon un mode de réalisation représenté Fig. 3, un indice de qualité R,(t) du canal i est calculé lorsque le canal est occupé lors d'une étape 70. Naturellement puisqu'il n'y a pas de 3039351 6 transmission de données, l'indice de qualité ne peut pas être une mesure de la qualité d'une transmission comme le rapport signal sur bruit ou signal sur bruit plus interférence. Il est toutefois possible d'obtenir un indice de qualité R,(t) du canal sur la base des résultats obtenus lors de la phase d'observation 10 permettant de vérifier la disponibilité du canal i. 5 Par exemple, si pendant la phase d'observation 10 un radiomètre mesure de façon classique Nech paires d'échantillons (X, Y), X étant mesuré sur une voie en phase I, et Y sur une voie en quadrature Q, alors la sortie du détecteur pourra être du type : Sortie = -1 )"(x +y2i) Néch 10 De façon classique la sortie du détecteur est comparée à un seuil pour déterminer si le canal est libre ou occupé. Lorsque le canal est occupé, le niveau de la sortie du détecteur peut servir lors de l'étape 70 pour obtenir un indice de qualité R,(t) du canal i car plus le niveau de la sortie sera élevé, meilleure sera la qualité du canal i. De façon similaire, des indices de qualité R,(t) peuvent être déterminés lors de l'étape 70 15 pour les autres types de détecteurs utilisés lors de la phase d'observation 10 pour vérifier la présence ou d'absence d'un signal sur le canal i. Dans un mode de mise oeuvre, un premier mode de calcul d'un indice de qualité R(t) peut être utilisé lorsque le canal n'est pas libre lors de l'étape 70, un second mode de mode de calcul (par exemple mesurant la qualité de la transmission) étant utilisé lors de l'étape 60 lorsque le 20 canal i est libre et que l'utilisateur secondaire y accède de façon opportuniste pour établir une communication avec un utilisateur distant. Selon un mode de mise en oeuvre, le meilleur indice de qualité Rmax sur l'ensemble des canaux est conservé, et la différence entre Rmax et R(t) est prise en compte lors de la mise à jour de l'indice B(t) lors de l'étape 50. 25 Selon un autre mode de mise en oeuvre, les moyennes Gk des indices de qualité Rk de tous les canaux sont conservées, et chaque indice Bk (t) est mis à jour lors de l'étape 50 en en fonction de la différence entre Gmax et la moyenne Gk conservée. Cette différence peut être pondérée par le nombre de fois où le canal a été observé (c'est à dire le nombre de fois où l'indice Bk a été le plus élevé parmi les indices des K canaux), depuis le début de l'accès opportuniste de l'utilisateur 30 secondaire au spectre de ce réseau primaire, de façon à amener l'utilisateur secondaire à explorer de nouveaux canaux jusqu'alors peu fréquemment observés. 3039351 7 L'indice Bk étant mis à jour lors de l'étape 50 en fonction de la qualité, cette donnée permet à la fois d'exploiter les résultats des mesures de qualité et donc de favoriser les canaux qui sont souvent libres tout en proposant une bonne qualité, mais aussi d'explorer les disponibilités d'autres canaux lorsqu'un canal est très souvent libre mais avec une qualité faible. 5 Enfin, selon un autre mode de réalisation, un biais Ak (t) est calculé pour chaque canal, l'indice Bk (t) étant mis à jour lors de l'étape 50 en fonction du biais Ak(t). En particulier, ce biais peut prendre en compte le nombre de fois qu'un canal donné a été observé. De cette manière l'utilisateur secondaire est amené à explorer les disponibilités des canaux jusqu'alors peu observés, lorsque les canaux fréquemment observés ne sont pas assez souvent libres, ou qu'ils ne 10 proposent pas une qualité suffisante. En jouant sur les paramètres de la fonction de mise à jour des index Bk de l'étape 50, on peut donner plus ou moins de poids aux disponibilités moyennes , à la mesure de la qualité R, (t) et aux biais Ak, de façon à privilégier l'expérience en matière de qualité, ou l'expérience en matière de disponibilité, ou bien l'exploration de canaux peu fréquemment observés. 15 Dans un mode de réalisation particulier, l'utilisateur secondaire est capable d'observer plusieurs canaux au cours de chaque trame temporelle t. Si une transmission n'est effectuée que sur un seul des canaux observés disponibles (celui ayant le plus fort indice B), l'observation de plusieurs canaux durant la trame temporelle t permet de mettre à jour plus rapidement les données relatives à la disponibilité moyenne et à la qualité de chaque canal. De même, il devient 20 possible d'avoir plusieurs stratégies d'observation, par exemple une stratégie basée sur l'expérience et une stratégie exploratoire visant à observer un canal sur lequel l'utilisateur secondaire dispose de peu d'information. Fig. 4 correspond à Fig. 1, avec une indication de la qualité que l'on peut obtenir lors d'une trame temporelle lorsque le canal est disponible. Dans l'exemple représenté Fig. 4, 25 l'utilisateur secondaire va privilégier le canal 2 par rapport au canal K, car si les fréquences de disponibilité des deux canaux restent identiques, en revanche l'indice de qualité R2 étant meilleur en moyenne que RK, l'indice B2 va augmenter plus vite que BK. Au final l'utilisateur secondaire obtiendra une transmission de meilleure qualité que celle qu'il aurait obtenue avec un procédé d'accès opportuniste selon l'art antérieur tel que représenté Fig. 1. 30 L'invention concerne également un produit programme d'ordinateur mémorisant un code exécutable pour la mise en oeuvre de l'un des procédés d'accès opportuniste à une bande de fréquences précédemment décrits, ainsi qu'un dispositif de communication comprenant un tel 3039351 8 produit programme d'ordinateur lui permettant, lorsqu'il est exécuté par le calculateur du dispositif, d'accéder de façon opportuniste au spectre d'un réseau primaire conformément à l'un des procédés précédemment décrits. REVENDICATIONS1. Procédé d'accès opportuniste à une bande de fréquences dédiée à un réseau primaire synchrone par un utilisateur secondaire, la bande de fréquences étant divisée en K canaux indépendants, un index Bk et une disponibilité moyenne k étant attribués à chaque canal k, ledit procédé comprenant à chaque trame temporelle t une étape d'observation par l'utilisateur secondaire du canal i dont l'index B,(t) est le plus grand, et Si le canal i est occupé : Une étape de mise à jour de la disponibilité moyenne du canal i, Une étape de mise à jour de l'index B, (t) du canal en fonction de ; Si le canal i est libre : Une étape de mise à jour de la disponibilité moyenne du canal i, Une étape de transmission de données établie durant la trame t, sur le canal i, entre l'utilisateur secondaire et un utilisateur distant, Une étape de calcul d'un indice de qualité R, (t) du canal i, Une étape de mise à jour des index Bk (t) des K canaux en fonction des disponibilités moyennes k et de R, (t). 2. Procédé d'accès opportuniste à une bande de fréquences selon la revendication 1, caractérisé en ce que, si le canal i est libre, la qualité de la transmission de données est mesurée l'indice de qualité R, (t) du canal i est calculé en fonction de la mesure de la qualité de la transmission. 3. Procédé d'accès opportuniste à une bande de fréquences selon la revendication 2, caractérisé en ce que 3039351 10 la qualité de la transmission de données est mesurée par le rapport signal sur bruit ou le rapport signal sur bruit plus interférence. 4. Procédé d'accès opportuniste à une bande de fréquences selon la revendication 2, 5 caractérisé en ce que la qualité de la transmission de données est mesurée par la consommation électrique durant la transmission de données. 5. Procédé d'accès opportuniste à une bande de fréquences selon l'une des 10 revendications 1 à 4 caractérisé en ce que, lorsque le canal i est occupé, un indice de qualité R, (t) est calculé, les index Bk (t) des K canaux sont mis à jour en fonction de k et R, (t). 6. Procédé d'accès opportuniste à une bande de fréquences selon la revendication 5, 15 caractérisé en ce que l'indice de qualité R, (t) du canal i est calculé en fonction de l'énergie mesurée par un radiomètre. 7. Procédé d'accès opportuniste à une bande de fréquences selon l'une des 20 revendications précédentes, caractérisé en ce que à chaque trame temporelle t un biais Ak (t) est calculé pour chaque canal k ; et chaque index Bk (t) est mis à jour en fonction de Ak (t) 25 8. Produit programme d'ordinateur mémorisant un code exécutable pour la mise en oeuvre du procédé d'accès opportuniste à une bande de fréquence selon la revendication 1 lorsqu'il est exécuté par un microprocesseur. 9. Dispositif de communication comprenant 30 des moyens de communication radio ; au moins une batterie ; au moins un calculateur ; 3039351 11 - de la mémoire ; au moins un capteur apte à observer la disponibilité d'un canal de fréquence caractérisé en ce que ledit dispositif comprend un produit programme d'ordinateur selon la revendication 8.