Méthodes d’optimisation et de parallélisation pour la radio logicielle

Abstract

Une radio logicielle (en anglais Software-Defined Radio ou SDR) est un système de communications numériques reconfigurable utilisant des techniques de traitement du signal sur des architectures numériques programmables. Avec l'émergence de nouveaux standards de communications complexes et la puissance de calcul grandissante des processeurs généralistes, il devient intéressant d'échanger l'efficacité énergétique des architectures dédiées contre la souplesse et la facilité d'implémentation sur processeurs généralistes.Même lorsque l'implémentation d'un traitement numérique est finalement faite sur une puce dédiée, une version logicielle de ce traitement s'avère nécessaire en amont pour s'assurer des bonnes propriétés de la fonctionnalité. Cela est généralement réalisé via la simulation. Les simulations sont cependant souvent coûteuses en temps de calcul. Il n'est pas rare de devoir attendre plusieurs jours voire plusieurs semaines pour évaluer les performances du modèle fonctionnel d'un système.Dans ce contexte, cette thèse propose d'étudier les algorithmes les plus coûteux en temps de calcul dans les chaînes de communication numériques actuelles. Ces algorithmes sont le plus souvent présents dans des décodeurs de codes correcteurs d'erreurs au niveau récepteur. Le rôle du codage canal est d’accroître la robustesse vis à vis des erreurs qui peuvent apparaître lorsque l'information transite au travers d'un canal de transmission. Trois grandes familles de codes correcteurs d'erreurs sont étudiées dans nos travaux, à savoir les codes LDPC, les codes polaires et les turbo codes. Ces trois familles de codes sont présentes dans la plupart des standards de communication actuels comme le Wi-Fi, l’Ethernet, les réseaux mobiles 3G, 4G et 5G, la télévision numérique, etc. Les décodeurs qui en découlent proposent le meilleur compromis entre la résistance aux erreurs et la vitesse de décodage. Chacune de ces familles repose sur des algorithmes de décodage spécifiques. Un des enjeux principal de cette thèse est de proposer des implémentations logicielles optimisées pour chacune des trois familles. Des réponses sont apportées de façon spécifique puis des stratégies d'optimisation plus générales sont discutées. L'idée est d'abstraire des stratégies d'optimisation possibles en étudiant un sous-ensemble représentatif de décodeurs.Enfin, la dernière partie de cette thèse propose la mise en œuvre d'un système de communications numériques complet à l'aide de la radio logicielle. En s’appuyant sur les implémentations rapides de décodeurs proposées, un émetteur et un récepteur compatibles avec le standard DVB-S2 sont implémentés. Ce standard est typiquement utilisé pour la diffusion de contenu multimédia par satellite. À cette occasion, un langage dédié à la radio logicielle est développé pour tirer parti de l'architecture parallèle des processeurs généralistes actuels. Le système atteint des débits suffisants pour être déployé en condition opérationnelle.Les différentes contributions des travaux de thèse ont été faites dans une dynamique d'ouverture, de partage et de réutilisabilité. Il en résulte une bibliothèque à code source ouvert nommée AFF3CT pour A Fast Forward Error Correction Toolbox. Ainsi, tous les résultats proposés dans cette thèse peuvent aisément être reproduits et étendus. Cette philosophie est détaillée dans un chapitre spécifique du manuscrit de thèse.