Paradigme robuste de communication sur réseau intelligent
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Le bruit et les interférences suivant un comportement impulsif non gaussien sont parmi les plus importants obstacles à la fiabilité des communications sans fils dans les réseaux électriques intelligents - REI (Smart Grid). Depuis plus de dix ans, le relais coopératif est jugé efficace quant à la fiabilité des transmissions sur canaux à évanouissement et à interférence. Sélectionner le meilleur relais est vital si l’on veut améliorer la performance des réseaux de relais coopératifs. Dans cet article, nous proposons un protocole novateur de sélection de relais pour réseau coopératif, en tenant compte du bruit impulsionnel en rafale rencontré essentiellement dans les environnements de réseau électrique intelligent. Nous démontrons que le protocole de sélection du meilleur relais proposé ici atteint la limite inférieure de performance et surpasse le protocole traditionnel de sélection, ce dernier étant optimisé pour le scénario classique de bruit gaussien.
INTRODUCTION
Le REI est un réseau électrique nouvelle génération issu de la combinaison du réseau électrique traditionnel et des technologies de l’information et de la communication (TIC). C’est l’un des sujets de l’heure pour les chercheurs en systèmes de communication et en réseaux électriques. Pour qu’un REI soit fiable, il doit être doté d’une architecture de communication extrêmement sûre et robuste au sein du réseau électrique. Toutefois, la mise en œuvre de communications robustes dans ce type d’environnements comporte plusieurs défis, dont l’un des plus grands est l’effet du bruit impulsif. Ce bruit se définit comme un bruit de fond gaussien (bruit thermique généré par les circuits) qui se transforme en un autre type de bruit pendant une courte durée, ayant pour effet de rendre la résultante du bruit non gaussienne. Le bruit habituellement observé dans les REI est de nature intrinsèquement impulsive [1]. Par exemple, dans les stations électriques, un bruit impulsif en rafale est généré par l’équipement, découlant des décharges partielles et de la commutation [2]-[4]. Le terme « en rafale » signifie qu’une impulsion s’étend sur plusieurs échantillons consécutifs et qu’il y a donc corrélation temporelle entre les échantillons de bruit.
Ainsi, dans la pratique, l’évanouissement du signal, les interférences et le bruit caractérisé par un comportement impulsif en rafale non gaussien constituent les obstacles courants aux communications sans fil dans ce type de systèmes de communication pratiques. Le relais coopératif (où les nœuds d’émission et de réception disponibles collaborent entre eux) peut être un candidat prometteur pour la transmission sur les canaux impulsifs, en raison de sa fiabilité sur les canaux à évanouissement et à interférence [5]-[6]. Ce relais s’adapte au type de diffusion des réseaux sans-fil et permet de tirer parti de la diversité spatiale sans nécessiter l’installation d’antennes à chaque nœud. Dans le même ordre d’idées, les techniques et analyses de sélection des meilleurs relais (best relay selection, BRS) ont fait l’objet d’une attention considérable dans la littérature, dans le but d’améliorer la performance du relais coopératif. Bien qu’instructives, la plupart des analyses de performance des protocoles BRS se sont faites uniquement en supposant un bruit blanc gaussien additif. Contrairement à l’hypothèse gaussienne, cet article trouve sa motivation principale dans les situations où le bruit présente un comportement impulsif en rafale notable qui affectera le processus de la BRS.
PROTOCOLES DE SÉLECTION DES RELAIS
Protocole typique de sélection des meilleurs relais
Comme habituellement présenté dans la littérature, pour un protocole de BRS typique, le meilleur relais Rb parmi les relais M disponibles, comme le montre la Fig. 1, est sélectionné selon la règle suivante [7] :
Fig. 1. Schéma du relais coopératif DF dans la sélection du meilleur énième relais.
Même si cette stratégie offre des performances optimales en environnements gaussiens, elle s’avérer parfois inefficace en présence d’un bruit impulsionnel en rafale puisque le critère BRS max-min repose uniquement sur des statistiques de canaux et non sur le comportement du bruit impulsionnel au moment de la sélection du relais.
Protocole proposé pour la sélection des meilleurs relais
Comme le critère BRS optimal typique n’exploite pas le comportement du bruit impulsif, il peut entraîner une importante dégradation des performances en présence de fortes interférences dans les relais. Par conséquent, des changements sont indéniablement requis au critère max-min pour s’adapter aux environnements de bruits impulsifs. Nous proposons donc un critère de BRS appelé sélection du énième meilleur relais [8]. Les étapes de bout en bout du protocole du énième BRS proposé sont illustrées à la Fig. 2.
Fig. 2. Diagramme du protocole du énième BRS proposé.
Sélection aléatoire des relais
Contrairement aux protocoles de sélection précédents, pour cette méthode, on choisit un relais au hasard parmi tous les relais disponibles. Ce choix convient aux scénarios simples, car il ne nécessite ni les statistiques de canaux ni l’évaluation du bruit impulsif, et montrera probablement les plus faibles performances.
Discussion sur la complexité
Il convient de souligner qu’en dépit de l’accroissement des performances, la complexité du schéma de sélection proposé augmente de façon exponentielle avec la longueur de l’architecture. Cependant, dans la section suivante, nous démontrons que la complexité du schéma est justifiée par la capacité de gain de performance, ce qui en fait un bon candidat pour des scénarios de communication fiables. Par conséquent, l’algorithme de sélection de relais proposé présente un compromis entre la performance et la complexité.
ÉVALUATION DU RENDEMENT
Pour mieux comprendre le comportement du système, nous montrons ici le taux d’erreur sur les bits (BER) analytique et simulé ainsi que le rendement lors des différents schémas de sélection de relais, nous permettant ainsi de valider l’optimalité du schéma de sélection proposé. Fait intéressant, aux figures 3 et 4, notons que la performance du système de sélection du énième relais basé sur la théorie de l’estimation du maximum a posteriori (MAP) se rapproche presque de la performance idéale (genie-aided) et offre un net gain de performance sur les autres approches.
Fig. 3. Performances du BER de bout en bout.
Fig. 4. Rendements de bout en bout du relayage.
CONCLUSION
Dans cet article, nous avons étudié la performance de certains protocoles classiques de sélection de relais pour les réseaux coopératifs de décodage et de transmission sur canaux à évanouissement de Rayleigh présentant du bruit impulsionnel en rafale et proposé une approche améliorée pour la sélection de relais. Les résultats de la simulation confirment la justesse de l’analyse proposée. À partir des résultats obtenus, il apparaît que notre schéma BRS surpasse les schémas classiques, qui sont optimisés pour le bruit gaussien et ne prennent pas en compte la mémoire du bruit impulsif.
