212 - Nouveaux paradigmes et défis des technologies de communication sans fil 

Dans les situations d'urgence et dans les zones de conflits, les systèmes de communication sans fil sont souvent incapables de répondre à la demande et cessent parfois même de fonctionner. Pourtant, ces systèmes de communication d'urgence et tactique devraient être opérationnels dans toutes les situations surtout lorsque la vie humaine en dépend. Pour trouver des solutions à cette problématique, notre équipe de recherche s'est associée à un leader mondial en matière de systèmes de communication radio de grande capacité. La chaire de recherche industrielle CRSNG-Ultra Électronique est dédiée à la création de technologies de pointe qui permettront de mettre en place des systèmes sans fil, cognitifs et à haut débit. La radio cognitive représente un réel changement de paradigme dans le domaine des communications sans fil ouvrant ainsi un bassin d'opportunités d'innovation inouï. Cette radio devra non seulement assurer une recrudescence des performances, mais sera aussi en mesure de s'auto configurer sans l'aide d'un utilisateur afin de maximiser l'efficacité globale des communications. Les thèmes de recherche typiques sont : l'utilisation des processus chaotiques pour augmenter la sécurité, la fiabilité et l'anonymat des liaisons de communications; la détection rapide de brouilleurs ou d'interférence; des techniques d'apprentissage distribué d'allocation de fréquence maximisant la capacité d'un réseau Ad-Hoc et le transfert intercellulaire adapté aux réseaux hétérogènes.



En radio cognitive (CR), les utilisateurs secondaires (SU) doivent pouvoir détecter et utiliser de manière opportuniste les portions du spectre alloué aux utilisateurs primaires (PU) non utilisées à un instant donné. Afin de maximiser la capacité opportuniste du réseau sans créer d'interférence aux usagers existants, la mise en œuvre de la CR repose sur l'utilisation d'algorithmes efficaces et rapides pour la détection spectrale aveugle. Nous donnerons tout d'abord une vue d'ensemble de haut niveau du problème de détection spectrale à large bande dans les réseaux CR. En particulier, les détecteurs d'énergie présentement en usage exploitent une structure découplée en fréquence, qui ne tient pas compte de la corrélation dans l'occupation de sous-bandes adjacentes par les utilisateurs. Par la suite, nous présenterons une nouvelle structure de détection, appelée détecteur d'énergie linéaire optimum (OLEC), qui permet d'exploiter une telle corrélation afin d'améliorer la performance de la détection spectrale. Le détecteur OLEC sera généralisé à une configuration multi-usager et intégré dans un cadre de détection jointe spatiale-spectrale, afin de tirer profit de la corrélation interfréquence dans la détection spectrale de type coopérative. L'analyse mathématique et les simulations démontrent que la détection spectrale coopérative basée sur la structure OLEC, peut considérablement améliorer la performance des CR comparativement à la structure de détection traditionnelle.



Les systèmes radio cognitifs (RC) permettent la transmission des signaux d'utilisateurs non licenciés (US : utilisateurs secondaires), simultanément et dans la même bande de fréquences que celle utilisée par les signaux d'utilisateurs licenciés (UP : utilisateurs primaires), et ce, sans porter préjudice aux performances de transmission des UP. Afin d'améliorer la qualité des transmissions secondaires, on peut combiner les systèmes RC avec les techniques de transmission des systèmes multi-antennes MIMO et de diversité coopérative. On présente ici deux techniques distinctes de transmission pour Réseaux Radio Cognitifs (RRC) faisant usage de relais entre les sources des données et les destinataires. L'une des techniques utilise plusieurs relais à antenne unique, alors que l'autre exploite un seul relai à antennes multiples MIMO. Dans la technique multirelais à antennes uniques, des critères de sélection du meilleur relai sont développés afin d'améliorer l'accès de l'US dans la bande licenciée à l'UP. Par contre dans la deuxième technique qui utilise un seul relai MIMO, on exploite des techniques avancées telles que la formation de faisceaux pour améliorer de façon substantielle les performances de l'US. Les allocations de puissance ainsi que les probabilités de perte des US sont examinées pour chacune des deux approches. Les résultats de simulations montrant les améliorations obtenues avec ces deux approches seront présentés et comparés aux systèmes RRC conventionnels.



Les réseaux de capteurs sont  utilisés dans différentes applications afin d'acheminer des données à un centre de traitement. La plupart du temps, les données mesurées par les capteurs (par exemple les données environnementales) présentent une corrélation entre les différents capteurs. Dans cet exposé, nous illustrerons une nouvelle technique de codage et diffusion des données au sein de réseaux de capteurs qui permet d'exploiter cette corrélation entre les données pour diminuer le délai d'acheminement des données au centre de traitement, et ce sans que les différents capteurs  n'aient a connaitre les paramètres de la corrélation entre données.  De ce point de vue, notre système, que nous baptisons Codage de réseau quantifié, s'apparente à un mécanisme de compression distribuée non adaptatif. Nous expliquerons la construction de ce système de codage, et exposerons les  compromis qualité de reconstruction/délai d'acheminement qu'il permet d'atteindre.



Les transcepteurs multiantennes sont de plus en plus courants dans les systèmes de communication sans fil et leur rôle prépondérant pour pallier la demande grandissante en largeur de bande est indiscutable. Toutefois, il demeure un frein important à leur adoption, soit leur complexité, notamment à l'étage RF où une réplication de la chaîne RF pour chaque antenne est nécessaire. On démontre qu'avec une stratégie de sélection judicieuse d'un sous-ensemble, l'essentiel de la performance d'un grand réseau peut être capturé avec un nombre de chaînes RF moindre. On s'attardera plus particulièrement aux schèmes à deux couches, lesquels offrent une simplicité encore plus poussée au niveau de l'étage RF par le biais d'une stratégie de commutation restreinte.





Les communications sans fil doivent relever plusieurs défis reliés à la nature variable des canaux. Parmi les nombreuses solutions proposées pour pallier les problèmes de transmission via de tels canaux, nous nous intéressons aux techniques de retransmission dites ARQ.  La transmission basée sur l'ARQ exploite la possibilité offerte par un canal de rétroaction et se base sur la retransmission de données reçues avec des erreurs, malgré le codage typiquement employé pour protéger ces données. L'approche souvent utilisée confie donc au codage le rôle traditionnel de protection de données contre les distorsions du canal, et ARQ se prémunit contre les variations aléatoires et imprévisibles de la force du signal, c'est-à-dire du fading. Nous nous pencherons sur une description des techniques de transmission ARQ et sur le potentiel relié à leur conception appropriée. Nous analyserons la possibilité de varier le débit, la puissance et la longueur des mots de code, et viserons à trouver un compromis entre les critères comme le débit utile, la probabilité de perte et le délai. Nous expliquerons comment mettre la conception des protocoles ARQ dans un contexte de processus dynamique Markoviens et comment utiliser les techniques de programmation dynamique pour trouver les paramètres de la transmission. Nous illustrerons nos propos par des exemples sur les gains atteignables grâce à la conception optimale des protocoles ARQ dans les canaux souvent utilisés pour modéliser les liens sans fil.



Les techniques de détection pour les systèmes à antennes multiples (Multiple-Input Multiple-Output, MIMO) sont nombreuses. L'algorithme de détection basé sur le critère de forçage à zéro (zero forcing, ZF) représente la technique de réception la moins coûteuse en termes de complexité numérique. Le récepteur linéaire ZF offre un bon compromis entre performances et complexité de mise en œuvre. Son principe est basé sur l'inversion de la matrice du canal. Nous proposons une nouvelle technique de détection ZF qui permet de réduire l'erreur quadratique moyenne (EQM) à la sortie du récepteur. La méthode proposée tient compte de la matrice de corrélation du bruit additif introduit par le canal. Elle permet d'obtenir un estimateur non biaisé de la séquence des symboles émis. Nous montrons analytiquement que la variance de l'estimateur donnée par la nouvelle technique est inférieure à celle du récepteur ZF classique. Ce résultat est confirmé par des simulations Monte-Carlo. Le canal MIMO simulé est un canal de Rayleigh avec bruit gaussien corrélé. Les résultats obtenus montrent que le récepteur proposé permet un gain de l'ordre de 0.5 dB pour un taux d'erreur binaire de l'ordre de 10^-4. Le gain apporté par la méthode proposée est plus important quand le bruit est corrélé. Nous notons aussi que les expressions analytiques de l'EQM délivrées par ce travail sont validées par les simulations.



Le réseau stratégique SAVI est un partenariat canadien de l'industrie, du milieu universitaire, des réseaux de recherche et d'éducation, et des centres de calcul de haute performance. Ce partenariat est formé pour examiner les éléments clés pour les plateformes d'application futures, et pour concevoir et déployer un banc d'essai national pour des applications distribuées; ce banc d'essai sera utilisé pour la création et la livraison des applications du type « Internet Futur». L'objectif principal du réseau SAVI est d'adresser la conception des plateformes futures des applications basées sur une infrastructure flexible, polyvalente, et capable d'évoluer; une infrastructure qui peut déployer, gérer et retirer facilement les applications futures qui seront identifiables par leurs aspects distribués sur grande échelle et avec une durée de vie possiblement courte. Notre participation dans ce projet est l'optimisation de l'interface optique/sans fil pour réduire la latence et fournir l'élasticité dans la couche physique pour attendre les objectifs d'une infrastructure flexible.



La modélisation d'un canal présente un problème majeur dans le domaine de télécommunication, et elle a été traitée dans plusieurs travaux en se basant sur des modèles traditionnels permettant de déterminer le comportement du canal de propagation selon des modèles analytiques, empiriques ou stochastiques. Dans ce projet d'étude, on s'intéresse à la modélisation du canal ultra-large bande (Ultra-Wide Band, UWB) dans un environnement minier en se basant sur une méthode différente des méthodes traditionnelles : l'utilisation des réseaux de neurones artificiels RBF (réseaux à fonction de base radiale). Le canal de transmission UWB est un canal à trajets multiples, surtout dans le cas des applications à l'intérieur. Dans notre recherche, on s'est basé sur des mesures réalisées dans la mine CANMET à Val d'Or située à 500 km au nord de Montréal, Canada. Ces mesures ont servi comme base de données pour entrainer le réseau de neurones. Dans ce travail, on estime l'affaiblissement du parcours (Path Loss) et la phase du signal reçu, en considérant les deux types de trajets : en visibilité directe (line-of-sight, LOS) et en visibilité non directe (non line-of-sight, NLOS). Les résultats obtenus montrent la capacité de ce type de réseau à modéliser le canal UWB dans un environnement minier avec une haute précision.



Les communications sans fil sont au cœur de nombreux dispositifs médicaux novateurs, dont divers types d'implants électroniques d'analyse et de diagnostique, des réseaux de microcapteurs portables, des microsystèmes d'analyse sanguine, des laboratoires sur puces, ainsi que des interfaces cerveau-machine. Ces dispositifs sont munis de transmetteurs performants et d'antennes miniatures leur permettant de lire, analyser et transmettre une multitude de paramètres biologiques, en temps réel, sans connexions câblées. Par ailleurs, la récupération d'énergie sans fil devient essentielle pour ces systèmes dans lesquels il est souvent impossible d'utiliser une pile comme source d'énergie principale. Dans un premier temps, cette présentation couvrira la modélisation du canal biologique et la conception d'antennes implantables ultra large bande dédiées au monitoring biologique haut débit. Une attention particulière sera accordée au respect des normes en vigueur et à la compatibilité électromagnétique. Ensuite, des techniques de récupération d'énergie sans fil performantes seront présentées, dont des systèmes à lien inductifs résonants. Il sera établi que de telles sources d'énergie sont très avantageuses comparativement aux sources traditionnelles. Enfin, des prototypes sans fil seront présentés, dont un appareil de mesure myographique portable, divers systèmes implantables d'analyse biologique ainsi qu'un système miniature pour l'étude du cerveau.



Afin de répondre à la demande sans cesse croissante pour des services évolués de télécommunications, treize des plus grands exploitants de réseaux au monde  conviaient l'industrie, en octobre 2012, à créer une gamme d'équipements de réseau s'appuyant sur la virtualisation (« Network Function Virtualisation »). La notion de virtualisation s'appuie sur l'amalgame en une seule entité logicielle de plusieurs fonctions logicielles et matérielles. Comme elle émane des milieux de l'informatique, plusieurs travaux de recherche ont déjà ciblé la virtualisation au niveau des couches supérieures des réseaux. Par contre, l'étude des défis et bénéfices de la virtualisation au niveau des couches inférieures, et notamment de la couche physique, constitue un axe de recherche fort moins développé. Lors de cette présentation, nous examinerons spécifiquement les bénéfices en terme d'efficacité énergétique, et donc de coûts d'exploitation des réseaux, de la virtualisation de l'accès sans-fil. Quelques configurations possibles de la virtualisation de l'accès sans-fil ainsi que des défis au niveau matériel seront présentés. Enfin, nous discuterons également, dans un sens plus large, des perspectives stratégiques, aux niveaux économique et environnemental, des réseaux virtualisés à titre de vecteur de développement durable pour toute société disposant, comme le Québec, d'énergie renouvelable.



Les réseaux sans fil maillés (WMN) offrent des solutions d'accès à  l'Internet très abordables dans des situations où le déploiement d'infrastructures câblées est difficile. Par contre, ils ont montré des limites dans le support de services avec contraintes de qualité; or ces services, dont le multimédia, connaissent la croissance d'utilisation la plus marquée et leur support adéquat est de plus en plus critique. Nous présentons ici un nouveau modèle d'ordonnancement pour partager la capacité disponible entre les différents flux de trafic sur les WMN, en tenant compte de la demande de chaque client et ses besoins en qualité, de la condition des liens sans-fil et également du nombre de relais que chaque flux de trafic doit traverser. Nous montrons que cet ordonnanceur permet de partager la bande passante disponible de manière équitable entre les différents flux, tout en prévenant le gaspillage, en restant près d'un comportement 802.11 normé. 





La fiabilité et la continuité des services, malgré les pannes inévitables, sont devenues des exigences de plus en plus répandues dans plusieurs domaines, tels que les systèmes bancaires, les télécommunications, etc. Plusieurs solutions et plateformes spécifiques ont toujours existé. Des solutions et plateformes  basées sur des standards développés par le Service Availability Forum (SAForum) ont vu le jour dans la dernière décennie.  Les services définis par ces standards et implémentés dans les plateformes et middlewares manipulent des artefacts très complexes, tels que des configurations de systèmes et des campagnes de mise à jour («upgrade»). La conception de tels artefacts et leur validation n'est pas chose facile à cause de leur taille, complexité et toutes les contraintes à satisfaire. Dans cette présentation, nous exposerons le problème et discuterons de l'apport et des bénéfices que l'ingénierie des modèles peut apporter dans la conception et la validation de tels artefacts.  Plus particulièrement, nous discuterons des solutions que nous avons apportées.