Objet de recherches intensives, la radio logicielle est en passe de révolutionner le monde des systèmes de communication. Et ceux qui ne prendront pas le train en marche risquent d'être rapidement dépassés.
Article rédigé par Emmanuel Bacholle. Nous remercions pour leur collaboration Marion Berbineau, directrice du laboratoire Léost à l'Inrets, et Didier Van den Abeele, ingénieur chez Alstom Transports.
Glossaire :
[1] Couche physique : première couche du modèle OSI, la couche physique est chargée de la transmission effective des signaux électriques ou optiques entre les interlocuteurs ; elle est en pratique toujours réalisée par un circuit électronique spécifique.
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Dans le domaine des télécommunications, l'augmentation croissante du nombre de standards et d'utilisateurs rendent la gestion du spectre des fréquences radios de plus en plus difficile. Pour de nombreux acteurs économiques dans le monde, l'une des solutions consiste à accélérer l'avènement des systèmes dit "radio logicielle". Les promesses de cette technologie en termes d'interopérabilité et de flexibilité représentent une avancée majeure pour les systèmes de télécommunications de demain.
La radio logicielle, ou Software Defined Radio (SDR), est une technologie permettant de réaliser via des logiciels les fonctions actuellement assurées par des composants matériels dans les modems radio. La flexibilité réside dans la facilité de reconfiguration du modem radio par un paramétrage du logiciel, tandis que l'interopérabilité résulte de la possibilité pour un poste terminal de recevoir des informations de plusieurs sources (pompiers, police...), masquant ainsi les incompatibilités.
La radio logicielle permet en outre le développement de "radios cognitives". "Conscientes" de leur environnement, ces radios sont capables de maîtriser leur influence sur ce dernier et d'adapter leurs paramètres de réception et d'émission en fonction de l'évolution de son état (couverture, interférences et bandes disponibles). Il existe plusieurs niveaux dans la radio logicielle, qui correspondent au nombre de fonctions de traitement du signal assurées par le logiciel (filtrage du canal, démodulation des ondes radio, reconfiguration complète de la couche physique [1], fonctionnement multi bandes).
Des radios souples et économiques
A l'avenir, les systèmes d'émission et de réception sans fil devraient ainsi être capables de s'adapter et de se reconfigurer en temps réel. Les applications et les protocoles seront interopérables et plusieurs couches physiques pourront cohabiter. Cependant, ces systèmes demandent encore des efforts de R&D considérables. Ces évolutions sont importantes voire vitales dans les domaines de la sécurité publique, des télécommunications militaires ou du transport car elles permettront beaucoup plus d'interopérabilité et d'interconnexion entre les systèmes, qu'ils soient existants ou à venir. Dans le domaine des transports notamment, ces recherches contribuent à l'émergence de solutions génériques capables d'en satisfaire les besoins et susceptibles de s'adapter aux contraintes spécifiques du "milieu" des transports (circulation en tunnel, sécurité, disponibilité, intégrité...).
L'intérêt que suscite la radio logicielle se justifie par les possibilités qu'elle ouvre. En permettant une reconfiguration à distance via des téléchargements, ou une adaptabilité en temps réel, la radio logicielle ou le matériel nécessaire qui supporte cette fonction auront une durée de vie plus longue et s'adapteront plus facilement aux évolutions technologiques. L'utilisation de logiciels permet également une meilleure interopérabilité des systèmes radio entre les différents standards de communication. Les radios pourront à terme jongler entre les fréquences pour accroître leur connectivité et optimiser la gestion des ressources radioélectriques.
Cette flexibilité intéresse en particulier les autorités régulatrices des télécommunications car elle favorise, via une meilleure allocation des ressources spectrales, la résolution du problème de la gestion du spectre et de l'allocation des fréquences entre divers pays ou utilisateurs. Parallèlement au développement des télécommunications, les pays développés sont confrontés à une multiplication des utilisateurs du spectre radio, ainsi que du nombre de standards disponibles (3G, Wifi, GSM, GPRS, Bluetooth, etc.). Le spectre n'étant pas une ressource infinie, les autorités doivent veiller au respect des impératifs de concurrence et d'accès équitable au spectre, dont la bonne "gestion" est indispensable au développement des pays à l'heure de la société de l'information et de l'économie numérique. Divers rapports et études, réalisés par des autorités régulatrices telles que la Federal Communications Commission (FCC) aux Etats-Unis, mettent en avant les atouts de la radio logicielle face aux problèmes de gestion du spectre.
Enfin, l'utilisation de plateformes matérielles uniques, flexibles et interopérables, où seul le logiciel sera modifié, permet une économie globale au niveau des coûts de production et de cycle de vie. En effet, la réduction du nombre d'équipements différents entraîne une diminution des compétences ou des moyens spécifiques nécessaires à la production et à la maintenance du matériel. Au vu de l'étendue des applications possibles, la radio logicielle est considérée comme l'avenir des télécommunications par les principaux fournisseurs de composants (Siemens, Philips, Motorola, Infineon ou Intel) qui développent tous des puces utilisant la technologie de la radio logicielle.
Malgré des perspectives séduisantes, la radio logicielle nécessite encore des efforts de recherche. Complexe et très coûteuse, cette technologie induit un risque accru pour l'intégrité et la disponibilité du système (bugs, virus) en raison de l'utilisation de logiciels. Dans la mesure où ces radios sont destinées à être modifiées par des entités autres que le fabricant, des précautions doivent être prises en matière de sécurité pour éviter des modifications non autorisées. Cette contrainte est particulièrement forte dans les domaines où les télécommunications doivent être "sûres" (militaire, sécurité publique, transports).
Un effort de recherche mondial
Les efforts à fournir pour développer cette innovation sont essentiellement liés au remplacement de fonctions par du logiciel en lieu et place de matériel. Si le processus de développement de composants électroniques est largement automatisé et modélisé dans toutes ses phases, la part humaine est encore importante dans le développement de logiciels, ce qui induit des risques d'erreurs, d'anomalies, de défauts de fonctionnement, de coûts de reprise, etc. Le développement de cette innovation doit donc être accompagné d'un processus de développement logiciel supportant la modélisation et la traçabilité depuis le besoin jusqu'à la validation, ceci afin de réduire les erreurs ou de maîtriser les dépendances, donc les risques de fautes dans un traitement.
Si ce processus implique un coût élevé dans la phase de démarrage de l'innovation, celui-ci devrait être minime en regard du retour sur investissement espéré, en particulier si l'on considère le fait que certains composants matériels, désormais remplacés par la SDR, ne devront plus être reconçus régulièrement (un processus qui représente un coût important).
Des efforts de recherche et développement sont également nécessaires pour obtenir une radio capable d'évoluer dans toutes les bandes de fréquences : antennes multibandes, numérisation des signaux en fréquence RF, etc. De nombreux programmes de recherche tentent de répondre à ces défis afin d'accélérer le développement de cette technologie, telles que le projet français RNRT Asturies ou le programme européen E2R. Une organisation internationale, le SDR Forum, associe des industriels, opérateurs et institutions du domaine des télécommunications dans le but d'échanger sur la radio logicielle et de promouvoir son développement.
La défense est l'un des premiers marchés pour lequel cette technologie s'est avérée nécessaire : le grand nombre de systèmes radio et le besoin de collaborer entre pays sur un théâtre d'opérations a rendu cette solution incontournable, surtout au regard des économies apportées sur le matériel et le besoin en soutien technique. Le programme américain Joint Tactical Radio System (JTRS) a ainsi permis d'aboutir à des applications opérationnelles.
Dans le domaine de la téléphonie mobile, la mobilité croissante des consommateurs valorise les atouts de la radio logicielle en termes de connectivité et d'interopérabilité entre les différentes normes internationales et les déploiements réalisés par les opérateurs. Les premières applications apparaissent déjà, notamment dans la téléphonie mobile où les opérateurs peuvent reconfigurer à distance les appareils. Des applications sont également possibles pour les stations de base radio (plus flexibles grâce à la SDR), ainsi que pour les systèmes d'accès sans fil (Wifi, cellulaire), la radio logicielle devant permettre aux opérateurs de développer un seul produit pour un déploiement global.
En permettant l'interopérabilité entre les différents standards radios, la radio logicielle peut aider les organismes de sécurité publique (pompiers, police, services de secours) à communiquer entre eux, à sélectionner librement les bandes de fréquences, à établir un système de communication opérationnel en cas de catastrophe majeure et à réduire le coût de possession de leurs systèmes de communication.
A chaque marché son enjeu
La radio logicielle présente de nombreux atouts pour les systèmes de transports intelligents (STI), qu'ils soient aériens, ferroviaires ou automobiles : interopérabilité des systèmes de communication embarqués d'un pays à l'autre, efficacité de l'usage du spectre par les différents modes de transport et meilleure disponibilité de la communication. Elle permet la conception de systèmes de télécommunication plus souples, plus "génériques", reconfigurables en fonction des besoins des opérateurs et aisément adaptables aux différents marchés, modes de transport et pays. De tels systèmes seront moins coûteux à développer ou à maintenir et offriront une durée de vie plus longue.
Même si certaines difficultés doivent être levées, en particulier dans les domaines sensibles de la sûreté de fonctionnement et de la sécurité, le secteur des transports, notamment les secteurs ferroviaire et automobile, pourrait prendre part activement à cette évolution du fait de l'importance de son marché, tant du point de vue du volume que de la tendance accrue pour une communication permanente entre le véhicule et le sol, avec des services en nombre et en diversité croissants. Les opérateurs d'infrastructure pourront ainsi faire évoluer leur système par le téléchargement d'une nouvelle version du logiciel, tandis que les industriels pourront fabriquer des véhicules dotés d'équipements s'adaptant à l'infrastructure dans laquelle ils évoluent par configuration dynamique ou statique du logiciel.
