Allocation dynamique des bandes spectrales dans les réseaux sans-fil à radio cognitive

Dans ce document, nous proposons un algorithme heuristique efficace pour résoudre le problème de partage spectral dynamique dans les réseaux de radios cognitives. Cet algorithme fonctionne selon les principes du paradigme de transmissions cognitives simultanées (en anglais underlay) où des utilisateurs primaires et des utilisateurs secondaires transmettent simultanément sur la même bande spectrale. L'algorithme proposé est basé sur un modèle théorique de graphe. Premièrement., le réseau de radios cognitives est modélisé en un graphe dont les sommets possèdent des poids. Le problème de partage spectral se réduit à colorier les sommets du graphe. Les décisions de partage spectral sont prises au niveau d'un serveur spectral qui coordonne les transmissions secondaires afin de trouver les paires (transmission secondaire/bande spectrale) qui maximisent le débit global du système. Le serveur spectral est aussi responsable de protéger les transmissions des utilisateurs primaires de l'interférence causée par les transmissions des utilisateurs secondaires. La réussite de cette tâche se base sur une allocation appropriée des puissances de transmission pour les utilisateurs secondaires. Grâce à des simulations bien élaborées, nous démontrons que les performances de l'algorithme proposé en terme de débit global sont proches de celles de l'algorithme optimal. Les performances de notre algorithme illustrent le gain en performances dû à une augmentation de la diversité de sélection de bande passante et à une diversité de sélection d'utilisateurs secondaires. \ud ______________________________________________________________________________ \ud MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : algorithme de partage spectral, réseau de radios cognitives, théorie des graphes, systèmes de communication sans fil, simulation des réseaux

Algorithmes de routage dans les réseaux sans-fil de radios cognitives à multi-sauts

Les réseaux de radios cognitives sont composés d'appareils cognitifs et agiles capables de changer leurs configurations à la volée en se basant sur l'environnement spectral. Cette capacité offre la possibilité de concevoir des stratégies d'accès au spectre dynamiques et flexibles dans le but d'utiliser d'une manière opportuniste une portion du spectre disponible. Toutefois, la flexibilité dans l'accès au spectre engendre une complexité accrue dans la conception des protocoles de communication. Notre travail s'intéresse au problème de routage dans les réseaux de radios cognitives à multi-sauts. Dans ce document, nous proposons un protocole de routage réactif qui permet la coexistence entre les utilisateurs premiers et secondaires, la diminution des interférences et l'augmentation du débit de transmission de bout en bout. Les simulations présentées démontrent l'efficacité de l'algorithme proposé en termes de débit moyen de bout en bout et de la gestion des chemins interrompus par l'arrivée d'un utilisateur premier. \ud ______________________________________________________________________________ \ud MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : réseaux de radios cognitives, radio cognitive, routage réactif, multi-sauts, utilisateur premier, utilisateur secondaire

Un cadre économique pour le routage et l'allocation de canaux dans les réseaux maillés sans fil avec la radio cognitive

Les réseaux maillés sans fil avec la radio cognitive sont constitués des routeurs de maille avec la capacité cognitive qui sont interconnectés entre eux par des liaisons sans fil permettant l’acheminement du trafic en relais et certains d’entre eux jouent le rôle de passerelle afin d’accéder au réseau internet. La capacité cognitive est une manière économique pour augmenter la bande passante disponible, mais elle nécessite un mécanisme de gestion adaptative de bande passante pour faire face aux dynamiques des activités des utilisateurs primaires. Dans cette thèse, nous modélisons les opérations conjointes d'allocation des canaux et le routage des connexions des usagers secondaires (sans licence d’accès) dans les réseaux maillés sans fil avec la radio cognitive. Le processus d'allocation des canaux inclut les opportunités de réutilisation des canaux afin d’améliorer la performance du réseau. On définit un cadre économique pour l'adaptation et le contrôle des ressources du réseau qui nous permet l’intégration du processus de routage avec celui d’allocation de canaux avec le but de la maximisation du profit du réseau. Le cadre économique est basé sur la notion du prix caché dépendant de l’état du noeud qui est dérivée de la théorie de la décision de Markov en mode décomposé. Les prix cachés des noeuds sont utilisés comme les métriques de routage tandis que leurs valeurs moyennes sont utilisées pour allouer des canaux parmi les différents noeuds. Le déploiement de ce modèle décomposé possède l’avantage d’implémentation décentralisée des processus utilisés dans le cadre économique qui permet leurs exécutions en temps réel. Les routages des connexions des usagers secondaires sont réalisés sans endommager les transmissions des usagers primaires et sans créer de l’interférence avec les transmissions d’autres usagers secondaires. Les canaux cognitifs sont utilisés de manière opportuniste et l’accès prioritaire de l’usager primaire dans sa bande de fréquence (son canal) est modélisé par la préemption. Les connexions d’usagers secondaires sont considérées homogènes et nous abordons uniquement l'adaptation de capacité à court terme dans lequel le nombre de canaux disponibles au réseau est constant et par ailleurs nous présumons aussi qu'il y a toujours un nombre suffisant d'interfaces radio lorsque les canaux sont réaffectés aux noeuds. Les résultats sont portés sur les deux cas de non-réutilisation et de réutilisation des canaux et pour chaque cas la performance obtenue confirme le modèle théorique d’optimisation présenté dans les chapitres correspondants. Par ailleurs, deux approches heuristique et analytique de calcul de la capacité sont comparées manifestant les mêmes performances. Les résultats de simulation illustrent la maximisation du profit du réseau et l'efficacité du schéma d'allocation des canaux proposé qui est intégré avec l'algorithme de réutilisation des canaux

Qualité de service dans des environnements réseaux mobiles, contraints et hétérogènes

Les télécommunications sans fil ont connu ces dernières années un immense succès à tel point que le spectre des fréquences est désormais surchargé et nécessite la disponibilité de nouvelles ressources. Pour répondre à ce besoin, des techniques de réutilisation dynamique du spectre ont alors vu le jour sous la dénomination de radio cognitive. Elles consistent à partager de manière opportuniste et efficace certaines fréquences ayant été initialement allouées à d'autres systèmes. Cette thèse se place dans le contexte de réseaux sans fil tactiques hétérogènes comportant des segments de radios cognitives. La difficulté provient alors de la garantie de qualité de service de bout en bout : respect du débit négocié, du délai et de la gigue. Nous nous sommes tout d'abord intéressés au contrôle d'admission dans ce type de réseaux en proposant une méthode de calcul de bande passante résiduelle de bout en bout s'appuyant sur un algorithme de complexité polynomiale et pouvant être implanté de manière distribuée. Nous nous sommes ensuite concentrés sur le routage en proposant une nouvelle métrique tenant compte des particularités de ce type de réseaux. Enfin, nous nous focalisons sur la thématique du routage à contraintes multiples en étudiant et implantant en environnement réel des algorithmes d'approximation proposés dans la littérature. ABSTRACT : The unprecedented success of wireless telecommunication systems has resulted in the wireless spectrum becoming a scarce resource. Cognitive Radio systems have been proposed as the enabling technology allowing unlicensed equipments to opportunistically access the licensed spectrum when not in use by the licensed users. The focus of this thesis is on heterogeneous tactical networks deploying cognitive radios in parts or in their entirety. Such networks can be organized in multiple sub-networks, each characterized by a specific topology, medium access scheme and spectrum access policy. As a result, providing end-to-end Quality of Service guarantees in terms of bandwidth, delay and jitter, emerges as a key challenge. We first address the admission control in multi-hop cognitive radio networks and propose a polynomial time algorithm that can be implemented in a distributed fashion for estimating the end-to-end bandwidth. Then, we focus on routing and propose a new metric that takes into account the specifics of such networks. Finally, as quality of service requirements can be expressed using multiple metrics, we turn our attention to multi-constrained routing and implement on a real testbed low complexity approximation algorithms

Localization and cooperative communication methods for cognitive radio

We study localization of nearby nodes and cooperative communication for cognitive radios. Cognitive radios sensing their environment to estimate the channel gain between nodes can cooperate and adapt their transmission power to maximize the capacity of the communication between two nodes. We study the end-to-end capacity of a cooperative relaying scheme using orthogonal frequency-division modulation (OFDM) modulation, under power constraints for both the base station and the relay station. The relay uses amplify-and-forward and decodeand-forward cooperative relaying techniques to retransmit messages on a subset of the available subcarriers. The power used in the base station and the relay station transmitters is allocated to maximize the overall system capacity. The subcarrier selection and power allocation are obtained based on convex optimization formulations and an iterative algorithm. Additionally, decode-and-forward relaying schemes are allowed to pair source and relayed subcarriers to increase further the capacity of the system. The proposed techniques outperforms non-selective relaying schemes over a range of relay power budgets. Cognitive radios can be used for opportunistic access of the radio spectrum by detecting spectrum holes left unused by licensed primary users. We introduce a spectrum holes detection approach, which combines blind modulation classification, angle of arrival estimation and number of sources detection. We perform eigenspace analysis to determine the number of sources, and estimate their angles of arrival (AOA). In addition, we classify detected sources as primary or secondary users with their distinct second-orde one-conjugate cyclostationarity features. Extensive simulations carried out indicate that the proposed system identifies and locates individual sources correctly, even at -4 dB signal-to-noise ratios (SNR). In environments with a high density of scatterers, several wireless channels experience non-line-of-sight (NLOS) condition, increasing the localization error, even when the AOA estimate is accurate. We present a real-time localization solver (RTLS) for time-of-arrival (TOA) estimates using ray-tracing methods on the map of the geometry of walls and compare its performance with classical TOA trilateration localization methods. Extensive simulations and field trials for indoor environments show that our method increases the coverage area from 1.9% of the floor to 82.3 % and the accuracy by a 10-fold factor when compared with trilateration. We implemented our ray tracing model in C++ using the CGAL computational geometry algorithm library. We illustrate the real-time property of our RTLS that performs most ray tracing tasks in a preprocessing phase with time and space complexity analyses and profiling of our software

Un cadre inter-couches pour la protection contre les interférences dans les réseaux ad-hoc radio cognitive

A fixed spectrum assignment scheme has a problem with resource deficiency in a wireless network. In 2002, the US Federal Communication Commission (FCC) reported that the radio spectrum was 20% to 85% under-utilized. The insufficient use of the spectrum is a critical issue for radio communication; as communication grows, a fixed spectrum becomes more limiting. The FCC then changed its spectrum management policy to make it more flexible by investigating the cognitive radio (CR) approach. Cognitive radio is a type of intelligent radio that explores the radio frequency environment, learns, and decides to use the unused portion of the frequency. The main functions of a CR are sensing, decision making, and sharing. However, these radios have to respect the standard wireless infrastructures by ensuring the least impact with their devices, also known as primary radios. Coexistence between CR systems and primary systems requires dedicated observation processes and interference management. In this thesis, observation from a CR point of view is presented. The overlapping area between a CR transmitter and primary radio (PR) transmitter is analysed so that it can be taken into account. The impact of this area is learnt by simulation and presented in Chapter 4. As a consequence, potential interference is envisaged. Along with observation, we investigate a proper mechanism to better prevent perturbation on PR devices using the Grey model and Kalman filter as a prediction model for predicting the density of primary receivers. In addition, we provide a strategy to combine the obtained observations into a metric that can be used in routing design in the context of coexistence between Cognitive Radio Networks (CRNs) and primary networks. The proposed strategy, using fuzzy logic, is presented in Chapter 5. In this chapter, we investigate how the routing layer reacts and makes the right decisions to maximise the spectrum resources, while avoiding interference with the primary receivers. For instance, a CR node can operate in an overlap region if primary receivers are inactive within this area. Also, we propose a routing mechanism based on the DYMO routing protocol that takes into account the observed relative impact. In the same chapter, we provide some practical scenarios illustrating the usefulness of our proposal. Interconnecting the CR nodes in CRNs is also a critical problem for the establishment of the network. We therefore present a beacon-based dissemination process in Chapter 6. In this chapter, we also describe a practical device designed for cognitive radio experiments. Even though our work affects different protocol layers, the designed framework is cross-layered. Indeed, the different components of the proposed framework access the various layers to retrieve information, process it, and react accordingly. Thus, our work constitutes a cross-layer framework for a local cognitive radio that aims to minimise the interference and maximise the network resources in cognitive radio networks.Le plan d’attribution du spectre présente un problème de déficit de ressources dans les réseaux sans fil. En 2002, la FCC (Federal Communication Commission) a rapporté que le spectre radioélectrique était de 20% à 85% sous-utilisé. L’utilisation inefficace du spectre est un problème majeur qui doit être résolu si l’on veut que les communications radio se développent. La FCC a ensuite changé la politique de gestion du spectre pour la rendre plus souple en s’interessant à l’approche radio cognitive (CR). La radio cognitive est un type de radio intelligente qui explore l’environnement de fréquences radio, apprend et décide d’utiliser la partie inutilisée du spectre. Les principales fonctions de la CR sont la détection, la prise de décision, et le partage. Cependant, ces radios doivent respecter les infrastructures sans fil standards en minimisant leur impact sur les appareils prioritaires, également appelés systèmes primaires. La coexistence entre les systèmes CR et les systèmes primaires nécessite des processus d’observation et de gestion des interférences dédiés. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la phase d’observation du point de vue CR. La zone de chevauchement entre un émetteur CR et l’émetteur primaire (PR) est analysée et prise en compte. L’impact de cette zone est appris par simulation et présenté dans le chapitre 4. En conséquence, des interférences potentielles sont envisagées. Durant la phase d’observation, nous étudions un mécanisme permettant de mieux prévenir la perturbation sur les dispositifs PR en utilisant le Grey Model et le filtre de Kalman comme modèle de prédiction de la densité des récepteurs primaires. En complément à cette observation, nous fournissons une stratégie visant à combiner les observations obtenues en une mesure qui pourra être utilisée par le routage dans le cadre de la coexistence entre réseaux radio cognitive (CRN) et réseaux primaires. La stratégie proposée utilise la logique floue et est présentée dans le chapitre 5. Dans ce chapitre, nous étudions comment la couche réseau réagit et prend les bonnes décisions pour maximiser l’utilisation des ressources du spectre, tout en évitant les interférences avec les récepteurs primaires. Par exemple, un noeud CR peut fonctionner dans une zone de recouvrement, si les récepteurs primaires sont inactifs dans cette zone. Ainsi, nous avons proposé un mécanisme de routage basé sur le protocole de routage DYMO qui prend en compte l’impact relatif observé. Dans ce même chapitre, nous avons également présenté des scénarios pratiques illustrant l’utilité de notre proposition. L’interconnexion des noeuds CR dans le CRN est aussi un problème crucial pour la mise en place du réseau. C’est pourquoi nous présentons un processus de diffusion par balises au chapitre 6. Dans ce chapitre, nous décrivons également un dispositif pratique conçu pour des expériences en radio cognitive. Même si notre travail se rapporte à différentes couches de la pile protocolaire, le cadre général que nous avons conçu est multicouches. En effet, les composants accèdent aux différentes couches pour récupérer l’information, la traiter et réagir en conséquence. Ainsi, notre travail constitue un environnement inter-couches pour un dispositif radio cognitive local visant à minimiser les interférences et à maximiser les ressources réseau dans les réseaux radio cognitive

Contribution à la conception d'un système de radio impulsionnelle ultra large bande intelligent

Faced with an ever increasing demand of high data-rates and improved adaptability among existing systems, which inturn is resulting in spectrum scarcity, the development of new radio solutions becomes mandatory in order to answer the requirements of these emergent applications. Among the recent innovations in the field of wireless communications,ultra wideband (UWB) has generated significant interest. Impulse based UWB (IR-UWB) is one attractive way of realizing UWB systems, which is characterized by the transmission of sub nanoseconds UWB pulses, occupying a band width up to 7.5 GHz with extremely low power density. This large band width results in several captivating features such as low-complexity low-cost transceiver, ability to overlay existing narrowband systems, ample multipath diversity, and precise ranging at centimeter level due to extremely fine temporal resolution.In this PhD dissertation, we investigate some of the key elements in the realization of an intelligent time-hopping based IR-UWB system. Due to striking resemblance of IR-UWB inherent features with cognitive radio (CR) requirements, acognitive UWB based system is first studied. A CR in its simplest form can be described as a radio, which is aware ofits surroundings and adapts intelligently. As sensing the environment for the availability of resources and then consequently adapting radio’s internal parameters to exploit them opportunistically constitute the major blocks of any CR, we first focus on robust spectrum sensing algorithms and the design of adaptive UWB waveforms for realizing a cognitive UWB radio. The spectrum sensing module needs to function with minimum a-priori knowledge available about the operating characteristics and detect the primary users as quickly as possible. Keeping this in mind, we develop several spectrum sensing algorithms invoking recent results on the random matrix theory, which can provide efficient performance with a few number of samples. Next, we design the UWB waveform using a linear combination of Bsp lines with weight coefficients being optimized by genetic algorithms. This results in a UWB waveform that is spectrally efficient and at the same time adaptable to incorporate the cognitive radio requirements. In the 2nd part of this thesis, some research challenges related to signal processing in UWB systems, namely synchronization and dense multipath channel estimation are addressed. Several low-complexity non-data-aided (NDA) synchronization algorithms are proposed for BPSK and PSM modulations, exploiting either the orthogonality of UWB waveforms or theinherent cyclostationarity of IR-UWB signaling. Finally, we look into the channel estimation problem in UWB, whichis very demanding due to particular nature of UWB channels and at the same time very critical for the coherent Rake receivers. A method based on a joint maximum-likelihood (ML) and orthogonal subspace (OS) approaches is proposed which exhibits improved performance than both of these methods individually.Face à une demande sans cesse croissante de haut débit et d’adaptabilité des systèmes existants, qui à son tour se traduit par l’encombrement du spectre, le développement de nouvelles solutions dans le domaine des communications sans fil devient nécessaire afin de répondre aux exigences des applications émergentes. Parmi les innovations récentes dans ce domaine, l’ultra large bande (UWB) a suscité un vif intérêt. La radio impulsionnelle UWB (IR-UWB), qui est une solution intéressante pour réaliser des systèmes UWB, est caractérisée par la transmission des impulsions de très courte durée, occupant une largeur de bande allant jusqu’à 7,5 GHz, avec une densité spectrale de puissance extrêmement faible. Cette largeur de bande importante permet de réaliser plusieurs fonctionnalités intéressantes, telles que l’implémentation à faible complexité et à coût réduit, la possibilité de se superposer aux systèmes à bande étroite, la diversité spatiale et la localisation très précise de l’ordre centimétrique, en raison de la résolution temporelle très fine.Dans cette thèse, nous examinons certains éléments clés dans la réalisation d'un système IR-UWB intelligent. Nous avons tout d’abord proposé le concept de radio UWB cognitive à partir des similarités existantes entre l'IR-UWB et la radio cognitive. Dans sa définition la plus simple, un tel système est conscient de son environnement et s'y adapte intelligemment. Ainsi, nous avons tout d’abord focalisé notre recherché sur l’analyse de la disponibilité des ressources spectrales (spectrum sensing) et la conception d’une forme d’onde UWB adaptative, considérées comme deux étapes importantes dans la réalisation d'une radio cognitive UWB. Les algorithmes de spectrum sensing devraient fonctionner avec un minimum de connaissances a priori et détecter rapidement les utilisateurs primaires. Nous avons donc développé de tels algorithmes utilisant des résultats récents sur la théorie des matrices aléatoires, qui sont capables de fournir de bonnes performances, avec un petit nombre d'échantillons. Ensuite, nous avons proposé une méthode de conception de la forme d'onde UWB, vue comme une superposition de fonctions B-splines, dont les coefficients de pondération sont optimisés par des algorithmes génétiques. Il en résulte une forme d'onde UWB qui est spectralement efficace et peut s’adapter pour intégrer les contraintes liées à la radio cognitive. Dans la 2ème partie de cette thèse, nous nous sommes attaqués à deux autres problématiques importantes pour le fonctionnement des systèmes UWB, à savoir la synchronisation et l’estimation du canal UWB, qui est très dense en trajets multiples. Ainsi, nous avons proposé plusieurs algorithmes de synchronisation, de faible complexité et sans séquence d’apprentissage, pour les modulations BPSK et PSM, en exploitant l'orthogonalité des formes d'onde UWB ou la cyclostationnarité inhérente à la signalisation IR-UWB. Enfin, nous avons travaillé sur l'estimation du canal UWB, qui est un élément critique pour les récepteurs Rake cohérents. Ainsi, nous avons proposé une méthode d’estimation du canal basée sur une combinaison de deux approches complémentaires, le maximum de vraisemblance et la décomposition en sous-espaces orthogonaux,d’améliorer globalement les performances

CORPORATE SOCIAL RESPONSIBILITY IN ROMANIA

The purpose of this paper is to identify the main opportunities and limitations of corporate social responsibility (CSR). The survey was defined with the aim to involve the highest possible number of relevant CSR topics and give the issue a more wholesome perspective. It provides a basis for further comprehension and deeper analyses of specific CSR areas. The conditions determining the success of CSR in Romania have been defined in the paper on the basis of the previously cumulative knowledge as well as the results of various researches. This paper provides knowledge which may be useful in the programs promoting CSR.Corporate social responsibility, Supportive policies, Romania