Système multiprocesseur à base de réseau sur puce destiné au traitement de la radio logicielle et la radio cognitive

Network on chip based multiprocessor system on chip for wireless software defined cognitive radio

• Auteur / Autrice : Muhammad Imran Taj
• Direction : Mohamed Akil
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 12/09/2011
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de l'Institut Gaspard Monge (1997-2009)
• Jury : Président / Présidente : Geneviève Baudoin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Akil, Omar Hammami, Serge Weber
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yves Louët, Jiří Masopust

Mots clés

Mots clés contrôlés

Perceptrons

Réseaux neuronaux (informatique)

Circuits intégrés

Multiprocesseurs

Mots clés libres

Radio Logicielle

CR Transceiver multinormes

Système Multiprocesseurs sur Puce

Réseaux de Neurones Artificiels

Prédiction de l'evolution spectrale

SDR waveform

CR Multi-standard Transceiver

MPSoC

Artificial Neural Networks

Spectrum Evolution Prediction

Résumé

La Radio Logicielle (SDR : Software Defined Radio) et la Radio Cognitive (CR : Cognitive Radio) deviennent d'un usage courant car elles répondent à plusieurs enjeux technico-économiques majeurs dans le domaine des télécommunications. Ces systèmes radio permettent de combler l'écart de développement technologique qui existe entre la partie matérielle et la partie logicielle des systèmes de communication, en permettant la gestion optimale des bandes de fréquences sous-utilisées par la commutation en temps réel d'une configuration radio à une autre. Dans ce cadre, cette thèse présente la mise en œuvre d'une chaîne de traitements Radio Logicielle (appelée SDR waveform) dans un Système Multiprocesseurs sur Puce (MPSoC) à usage général (implémenté dans un FPGA de type Xilinx Virtex-4). Cette plateforme est basée autour d'un Réseau sur Puce (NoC) interconnectant 16 processeurs élémentaires (appelés PE) disposant de quatre blocs-mémoires externes DDR2. Nous avons proposé des implémentations temps réel et embarquées sur MPSoC de différentes briques de traitements d'une chaîne SDR, en concevant une stratégie efficace de parallélisation et de synchronisation pour chaque composante élémentaire de la « waveform ». Nous avons amélioré la fonctionnalité de la chaîne de traitement Radio Logicielle, en intégrant un Transceiver reconfigurable basé sur différents modèles de Réseaux de Neurones Artificiels (RNA) : les Cartes Auto-Organisatrices (SOM), les Réseaux de Neurones Compétitifs (LVQ) et enfin les Réseaux Multi-Couches de Perceptrons (MLP). Ces trois RNA permettent la reconnaissance de la norme spécifique basée sur les paramètres d'entrée extraits du signal et la reconfiguration du Transceiver de CR. La solution adaptative que nous avons proposée commute vers le RNA le plus approprié en fonction des caractéristiques du signal d'entrée détecté. Il est important de pouvoir prendre en compte des signaux complexes et multi-porteuses. Dans ce cadre, nous avons adressé le cas d'un signal complexe composé de plusieurs porteuses, ainsi en divisant les PEs en différents groupes indépendants, nous affectons chaque groupe de PEs au traitement d'une nouvelle porteuse. Nous avons conçu une stratégie efficace de synchronisation et de parallélisation de ces trois RNA pour CR Transceiver. Nous l'avons appliquée, par la suite pour l'implantation de nos algorithmes sur le MPSoC déjà cité. L'accélération que nous obtenons pour la SDR waveform et pour les algorithmes de Transceiver de CR démontre que les MPSoC à usage général sont une réponse pertinente, entre autres, aux contraintes de performances sur une telle plateforme. Le système que nous proposons apporte une réponse aux défis technico-économiques des grandes entreprises qui investissent ou prévoient d'investir dans des équipements basés sur des SDR ou des CR, puisqu'il permet d'éviter de recourir à des équipements d'accélération coûteux. Nous avons, par la suite, ajouté d'autres fonctionnalités à notre waveform avec un « CR Transceiver multinormes », en proposant une nouvelle approche pour la gestion du spectre radio. Ceci étant l'aspect le plus important de CR. Nous rendons ainsi notre waveform spectralement efficace en modélisant les caractéristiques radiofréquences (RF) du signal utilisateur primaire sous la forme d'une série temporelle multi-variée. Cette série temporelle est ensuite fournie comme entrée dans un Réseau de Neurones Récurrent d'Elman (ERNN) qui prédit l'évolution de la série temporelle de RF pour déterminer si l'utilisateur secondaire peut exploiter la bande de fréquences. Nous avons exploité la cyclo-stationnarité inhérente des signaux primaires pour la Modélisation Non-Linéaire Autorégressive Exogène (NARX : Non-linear AutoRegressive Exogenous) des séries temporelles des caractéristiques RF, car la prédiction d'une caractéristique RF demande d'abord de connaître les autres caractéristiques radios pertinentes. Nous avons observé une tendance similaire pour les valeurs prédites et observées. En résumé, nous avons proposé des algorithmes pour SDR waveform à efficacité spectrale avec un Transceiver Universel, ainsi que leurs implantations parallèles sur MPSoC. Notre conception de waveform répond aux exigences en performances et aux contraintes de ressources embarquées des applications dans le domaine

Software Defined Radio (SDR) and Cognitive Radio (CR) are entering mainstream. These high performance and high adaptability requiring devices with agile frequency operations hold promise to :1. address the inconsistency between hardware and software advancements, 2. real time mode switching from one radio configuration to another and3. efficient spectrum management in under-utilized spectrum bands. Framed within this statement, in this thesis we have implemented a SDR waveform on 16 Processing Element (PE) Network on chip (NoC) based general purpose Multiprocessors System on chip (MPSoC), with access to four external DDR2 memory banks, which is implemented on a single chip Xilinx Virtex-4 FPGA. We shifted short term development of a waveform into software domain by designing an efficient parallelization and synchronization strategy for each waveform component, individually. We enhance our designed waveform functionality by proposing and implementing three Artificial Neural Networks Schemes : Self Organizing Maps, Linear Vector Quantization and Multi-Layer Perceptrons as effective techniques for reconfiguring CR Transceiver after recognizing the specific standard based on input parameters, pertaining to different layers, extracted from the signal. Our proposed adaptive solution switches to appropriate Artificial Neural Network, based on the features of input signal sensed. We designed an efficient synchronization and parallelization strategy to implement the Artificial Neural Networks based CR Transceiver Algorithms on the aforementioned MPSoC chip. The speed up we obtained for our SDR waveform and CR Transceiver algorithms demonstrated that the general purpose MPSoC devices are the most efficient answer to the acquisition challenge for major organizations that invest or plan to invest in SDR and CR based devices, thereby allowing us to avoid expensive hardware accelerators. We address the case of a complex signal composed of many modulated carriers by dividing the PEs in individual groups, thus received signal with more than one Standard is processed efficiently. We add further functionality in our designed Multi-standard CR Transceiver possessing SDR Waveform by proposing a new approach for radio spectrum management, perhaps the most important aspect of CR. We make our designed waveform Spectrum efficient by modelling the primary user signal Radio Frequency features as a multivariate time series, which is then given as input to Elman Recurrent Neural Network that predicts the evolution of Radio Frequency Time Series to decide if the secondary user can exploit the Spectrum band. We exploit the inherent cyclostationary in primary signals for Non-linear Autoregressive Exogenous Time Series Modeling of Radio Frequency features, as predicting one RF feature needs the previous knowledge of other relevant RF features. We observe a similar trend between predicted and actual values. Ensemble, our designed Spectrum Efficient SDR waveform with a Universal Multi-standard Transceiver answers the SDR and CR performance requirements under resource constraints by efficient algorithm design and implementation using lateral thinking that seeks a greater cross-domain interaction