Software defined radio for cognitive wireless sensor networks : a reconfigurable IEEE 802.15.4 reconfigurable

par Rafik Zitouni

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Laurent George.

Le président du jury était Didier Le Ruyet.

Le jury était composé de Laurent George, Stefan Ataman, Fabien Ligreau.

Les rapporteurs étaient Pascale Minet, Michel Misson.


  • Résumé

    Le nombre croissant d'applications des Réseaux de Capteurs Sans Fils (RCSFs) a conduit les industriels à concevoir ces réseaux avec une couche Physique (PHY) suivant le standard IEEE 802.15.4. Actuellement, cette couche est implémentée en matériel souffrant d'un manque de flexibilité du changement des paramètres radio, telles que bandes de fréquences et modulations. Ce problème est accentué par la rareté du spectre radio fréquences. La Radio Logiciel (RL) est une nouvelle solution pour reconfigurer plus facilement ces paramètres. A partir d'une RL, il est possible de développer une radio cognitive permettant une écoute de spectre et un Accès Dynamique au Spectre (ADS). Ces deux possibilités sont utiles pour surmonter le problème de la rareté du spectre. Cette thèse propose une nouvelle solution Radio logicielle pour un RCSF basé sur le standard IEEE 802.15.4. Notre objectif est de caractériser une plate-forme RL qui implémente à la fois deux couches PHY standardisées et une radio cognitive pour des RCSFs. Dans cette thèse, nous avons réalisé des implémentations RL en utilisant une plateforme composée de la solution Universal Software Peripheral Radio (USRP) d'Ettus Research et de GNU Radio. Nous avons choisi cette plateforme particulière puisqu'elle est parmi les outils les plus performants et les plus pratiques d'après notre état de l'art. Une étude minutieuse a été effectuée pour analyser l'architecture logicielle de la GNU Radio avant son utilisation. Des USRPs avec leurs cartes filles ont été aussi analysés à travers des mesures expérimentales radio fréquences. L'analyse de cette plate-forme a apporté une description détaillée de son architecture et de ses performances. Nous avons prouvé que les performances mesurées sont plus faibles que ceux attendus pour certaines cartes filles d'USRP. Malgré ces résultats, certaines cartes ont de nombreuses caractéristiques intéressantes, comme de grandes bandes de fréquences couvertes et une puissance de sortie linéaire. Un modèle empirique a été introduit pour caractériser avec précision la puissance de sortie moyenne d'une carte fille particulière. Nous avons ensuite implémenté une nouvelle couche PHY standardisée pour la bande de fréquence 868/915 MHz basée sur le standard 802.15.4. Un processus de rétro-ingénierie d'une autre implémentation développée pour la bande 2.4GHz a été effectué. Ces deux couches ont été décrites par des chaines de communications ou des graphes de flux. Nous avons finalement proposé une nouvelle radio cognitive par une reconfiguration de ces graphes de flux dans les deux bandes de fréquences correspondantes. La particularité de notre radio cognitive est de reconfigurer les graphes de flux en fonction de la fréquence sélectionnée. Cette sélection est effectuée par un ADS et une écoute de spectre basé sur une détection d'énergie, validés tous les deux au travers des réelles communications sans fil. Nous avons introduit un algorithme à base de messages afin de reconfigurer les graphes de flux et de synchroniser la sélection sur une fréquence porteuse. Les deux couches physiques en RL pour les bandes 2.4 GHz et 868/915 MHz ont été testées et sont fonctionnelles. La première a été testée en échangeant des paquets de données avec des nœuds capteurs réels. La deuxième a été expérimentée par l'échange de paquets, à travers une communication entre deux radios logicielles USRP/GNU Radio. Nous avons réussi à mesurer deux paramètres réels d'une communication sans fil : le taux d'erreur binaire et le taux de succès des paquets. Les couches PHY résultantes ont servi à la réalisation et à l'expérimentation d'un ADS de notre radio cognitive. Un ADS a amélioré significativement le taux de succès de paquets par rapport à celui obtenu avec un accès statique dans un environnement indoor. Les résultats de cette thèse conduisent à expérimenter une radio cognitive avec une RL non seulement pour un RCSF, mais pour d'autres réseaux sans fil et standards radio

  • Titre traduit

    Radio logicielle pour des réseaux de capteurs sans fil cognitifs : un standard IEEE 802.15.4 reconfigurable


  • Résumé

    The Increasing number of Wireless Sensor Networks (WSNs) applications has led industries to design the physical layer (PHY) of these networks following the IEEE 802.15.4 standard. The traditional design of that layer is on hardware suffering from a lack of flexibility of radio parameters, such as changing both frequency bands and modulations. This problem is emphasized by the scarcity of the radio-frequency spectrum. Software Defined Radio (SDR) is an attracting solution to easily reconfigure radio parameters. In addition to SDR, a cognitive radio concept can be proposed by spectrum sensing and Dynamic Spectrum Access (DSA) both to overcome the spectrum scarcity problem. This thesis proposes a new SDR solution for WSNs based on the IEEE 802.15.4 standard. Our aim is to characterize an SDR platform that implements two standardized PHY layers and cognitive radio for WSNs. In this thesis, we carried out SDR implementations using a GNU Radio and Universal Software Peripheral Radio (USRP) platform. We chose this particular platform because it is one of the most practical and well-performed ones. A thorough study was performed to analyze GNU Radio software architecture before its usage. USRPs and their daughter boards were also analyzed through experimental radio-frequency measurements. The analysis of the GNU Radio USRP platform brought a detailed description of its architecture and performances as well as the way to implement an SDR. This description particularly assists researchers to quickly develop efficient SDR receivers and transmitters. We show through our experiments that the measured performances of daughter boards mounted on a USRP are lower than expected ones. Despite these results, some daughter boards have many interesting features such as large covered frequency bands and with a linear output power. An empirical model was introduced to accurately characterize the average output power of a particular daughter board. Then, we implemented a new possible standardized PHY layer for the 868/915 MHz frequency band. A reverse engineering process of another implementation was performed for the 2450 MHz frequency band. These two PHY layers were described by communication chains or flow graphs. We suggested a new Cognitive Radio by a reconfiguration of these flow graphs within the corresponding frequency bands. The particularity of our cognitive radio is to reconfigure flow graphs in function to the selected frequency. This selection is performed by DSA and spectrum sensing based on energy detection both through real wireless communications. We introduced a message based algorithm in order to reconfigure the flow graphs and to synchronize the selection of a carrier frequency. Our two implemented PHY layers for the 2450 MHz and the 868/915 frequency bands were found functional. The first one was tested by exchanging data packets with real sensor nodes. The second was also experienced by a packet exchange, but via GNURadio/USRP communications. Both tests were carried out through real communications. We were also able to measure two wireless communication parameters: Bit Error Rate (BER) and the Packet Success Rate (PSR). The result of functional PHY layers was beneficial for realization and experiments of our cognitive radio. We found that our DSA significantly improves the packet success rate compared to that obtained with static spectrum access in an indoor environment. The results of this thesis lead to experiment a cognitive radio with an SDR not only for a WSN, but for other wireless networks and radio standards


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