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Redes de Rádios Cognitivos: Arquiteturas, Sensoriamento Espectral e Questões Regulatórias Minicurso Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012. Rafael Kunst, Cristiano Both, Lucas Bondan , Maicon Kist , José Jair Santanna , Leonardo Faganello ,

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  1. Redes de Rádios Cognitivos:Arquiteturas, Sensoriamento Espectrale Questões RegulatóriasMinicursoSimpósio Brasileiro de TelecomunicaçõesBrasília, 13 a 16 de setembro de 2012 Rafael Kunst, Cristiano Both, Lucas Bondan, Maicon Kist, José Jair Santanna, Leonardo Faganello, Lisandro Granville, Juergen Rochol

  2. Agenda • Introdução a Redes de Rádios Cognitivos • Funções Cognitivas • Arquiteturas para Acesso ao Espectro • Gerenciamento de Rádios Cognitivos • Cenários de Utilização • Pesquisas em Rádios Cognitivos • Considerações Finais Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  3. Redes de Rádios Cognitivos Introdução • Redes de próxima geração demandam banda larga • Serviços de banda larga (vídeo, voz e dados) • Cobertura cidade e zona rural (WPANs, WLANs, WMANs, WRANs) • Demanda por espectro de frequências gera escassez deste recurso Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  4. Redes de Rádios Cognitivos Introdução (cont.) • A política atual de alocação do espectro colabora para o problema da escassez • A alocação do espectro é definida por agências governamentais (Anatel, FCC, etc) • Grande parte do espectro está alocado, porém subutilizado [39] Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  5. Redes de Rádios Cognitivos Utilização do Espectro nos Estados Unidos Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  6. Redes de Rádios Cognitivos Introdução (cont.) • Rádio cognitivo é um conceito que possibilita o acesso dinâmico ao espectro de frequências • Usuários primários (licenciados) e secundários (oportunistas) compartilham o espectro • Usuários secundários devem ser capazes de adaptar a frequência de transmissão dinamicamente Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  7. Redes de Rádios Cognitivos Questões Regulatórias • 2002: Nos Estados Unidos a FCC propôs a exploração de canais de TV para prover acesso de banda larga em zonas rurais • 2004: Canais 5 a 13 (VHF) e 15 a 51 (UHF) foram reservados • 2009: padrão IEEE 802.22 foi publicado Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  8. Redes de Rádios Cognitivos Questões Regulatórias no Brasil • Recomendações e decretos em vigor: • Lei n. 9472 de 1997LGT: Lei Geral das Telecomunicações • Decreto n. 4.901 (2003): Sistema Brasileiro de TV digital • Recomendação ITU-R, BT.798-1: Canalização VHF e UHF Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  9. Redes de Rádios Cognitivos Questões Regulatórias no Brasil • Anatel ainda não regulamentou faixas de frequência para RC • A implantação de TV Digital deve colaborar para esta regulamentação • Com a digitalização, faixas de frequência devem ser liberadas para RC Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  10. Redes de Rádios Cognitivos Canais de TV Digital 6 MHz Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  11. Redes de Rádios Cognitivos Canais UHF e VHF Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  12. Agenda • Introdução a Redes de Rádios Cognitivos • Funções Cognitivas • Arquiteturas para Acesso ao Espectro • Gerenciamento de Rádios Cognitivos • Cenários de Utilização • Pesquisas em Rádios Cognitivos • Considerações Finais Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  13. Redes de Rádios Cognitivos Funções Cognitivas • Dois tipos de usuários: primários e secundários • Requer a implementação de mecanismos para: • Coexistência entre os usuários • Gerenciamento do sensoriamento espectral • Gerenciamento da geolocalização • Dynamic Spectrum Access (DSA) • Coexistência entre redes através do CoexistenceBeaconProtocol (CBP) Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  14. Redes de Rádios Cognitivos Funções Cognitivas (cont.) • Usuários secundários devem implementar quatro mecanismos para lidar com a escassez espectral: • Determinar porções não utilizadas do espectro • Selecionar o melhor canal dentre os disponíveis • Compartilhar o acesso com outros usuários • Liberar o canal quando um usuário primário desejar transmitir Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  15. Redes de Rádios Cognitivos Funções Cognitivas [52] Mobilidade Decisão Camada de Enlace • Quatro funções definidas para possibilitar a implementação dessas técnicas Compartilhamento Energia Frequência Camada Física Livre Livre Atividades dos usuários primários Livre Requisição de adaptação Tempo Relatório de reconfiguração do rádio Sensoriamento Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  16. Funções Cognitivas Sensoriamento Espectral [46] Sensoriamento Espectral Sensoriamento Cooperativo Baseado na Interferência Detecção do Sinal do Transmissor Centralizado Distribuído Detecção de Energia Detecção de Formato de Onda SensoriamentoCicloestacionário Identificação de Rádio Filtragem Casada Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  17. Funções Cognitivas Sensoriamento Espectral [46] Detecção de Energia Detecção de Formato de Onda SensoriamentoCicloestacionário Identificação de Rádio Filtragem Casada • Yucek, T.; Arslan, H.; , "A survey of spectrum sensing algorithms for cognitive radio applications," Communications Surveys & Tutorials, IEEE , vol.11, no.1, pp.116-130, First Quarter 2009 • Técnica mais utilizada • Compara a energia percebida do sinal com um limite • Simples e barata • Conhecimento sobre as características do sinal do usuário primário é necessário • Não diferencia o sinal do usuário primário do ruído • Baseada no reconhecimento de padrões • Obtida pela correlação entre o sinal recebido e uma cópia previamente conhecida deste sinal • Demanda conhecimento sobre os padrões de sinais, o que nem sempre está disponível • Muito aplicado através do reconhecimento do padrão de preâmbulo dos sinais • Utiliza a periodicidade dos sinais • Pode ser introduzida intencionalmente para permitir o sensoriamento espectral • Técnica robusta em cenários com elevada quantidade de ruídos e interferências • Demanda muitos recursos de processamento • Tempo para detecção elevado • Reconhecimento da tecnologia utilizada pelos usuários primários • Demanda conhecimento completo sobre o sinal transmitido pelos usuários primários • Trabalha em conjunto com outras técnicas • Detecção de energia [47, 48] • Detecção de formato de onda [49] • Método ótimo para detecção, quando o sinal do usuário primário é conhecido [50] • Pouco tempo é necessário para o sensoriamento • Requer conhecimento perfeito das características do sinal do usuário primário • Frequência de operação, técnica de modulação, formato do quadro, etc [51] Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  18. Funções Cognitivas Compartilhamento Espectral [52] Centralizado [53] Distribuído [54] Colaborativo [52] Network #1 Network #2 Unidade Central Base de Políticas Mapa de alocação espectral Requisição/Resposta - Políticas Base de Políticas Base de Políticas Usuário secundário Área de compartilhamento espectral Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  19. Funções Cognitivas Decisão Espectral [56] • Usuário secundário seleciona o melhor canal disponível • Leva em consideraçãoo histórico do canal • Interferências • Média de utilização • Atrasos/Jitter Analisa o passado Selecionado Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  20. Funções Cognitivas Mobilidade Espectral [52] • Alteração na configuração do dispositivo (Handoff espectral) • Recebe informações da função de decisão espectral • A duração do handoffdeve ser conhecida pelos usuários secundários para evitar interferências Selecionado Handoff Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  21. Agenda • Introdução a Redes de Rádios Cognitivos • Funções Cognitivas • Arquiteturas para Acesso ao Espectro • Gerenciamento de Rádios Cognitivos • Cenários de Utilização • Pesquisas em Rádios Cognitivos • Considerações Finais Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  22. Arquiteturas para Acesso ao Espectro Importância das Arquiteturas • Os dispositivos devem se adaptar às mudanças • É necessário que os dispositivos aprendam com o passado • A implementação do conceito de Rádios Cognitivos demanda software e hardware Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  23. Arquiteturas para Acesso ao Espectro Software Defined Radio (SDR) [55] • Interface de rádio flexível que pode ser implementada tanto em software, quanto em hardware • Permite a implementação do handoffespectral D/A Codificação Entrelaçamento Modulação Filtragem Transmissor Σ Canal A/D Codificação Entrelaçamento Modulação Filtragem Receptor Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  24. Arquiteturas para Acesso ao Espectro Universal Software Radio Peripheral(USRP) • Transforma computadores de propósito geral em plataformas de hardware para execução de SDR • Placa-mãe contendo uma FPGA Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  25. Arquiteturas para Acesso ao Espectro Universal Software Radio Peripheral(USRP) • Conversores A/D de 14 bits e D/A de 16 bits • Amostragens de até 25MHz • Suporte a MIMO através de placas-filhas • Pode ser utilizado em qualquer rede de RC Computador PlacaFilha de Transmissão A/D D/A FPGA A/D D/A PlacaFilha de Transmissão PlacaFilha de Recepção A/D D/A A/D D/A PlacaFilha de Recepção Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  26. Arquiteturas para Acesso ao Espectro Software Communications Architecture(SCA) • Desenvolvida pelo Departamento de Defesa dos EUA • Independência de hardware • Reuso de software A1 A2 A3 A4 A5 Middleware CORBA SCA FC SO e Pilhas de Protocolos Módulos de Suporteao Hardware Hardware Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  27. Arquiteturas para Acesso ao Espectro Software Communications Architecture(SCA) • Framework Central: Gerenciador de Dispositivos Sistemas de Arquivos Gerenciador de Domínios Dispositivos Gerenciador de Aplicações Aplicações Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  28. Arquiteturas para Acesso ao Espectro Projeto 1: Open Source SCA ImplementationEmbedded(OSSIE) • Gera código no formato especificado pela SCA • Projetada para ensino e pesquisa • Possui uma GUI, chamada de WaveformDeveloper • Possui um depurador, chamado ALF Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  29. Arquiteturas para Acesso ao Espectro Projeto 2: GNU Radio • Plataforma open source mais utilizada em pesquisas • Implementação modular através de blocos interconectáveis • Compatível com USRP e SCA • GUI: GNU Radio Companion Python SWIG (Python/C++) Processamento de Sinais (C++) Interface (USB ou Gb Ethernet) USRP Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  30. Arquiteturas para Acesso ao Espectro Projeto 3: Sora • Desenvolvido pela Microsoft ResearchAsia • Implementado através de umhardware conectado à placa-mãe de computadores:Radio ControlBoard(RCB) Aplicação Camada de Rede (TCP/IP) Módulos de Software MAC Biblioteca de Suporte PHY PHY Fluxos Gerenciador RCB Tempo Real RCB Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  31. Arquiteturas para Acesso ao Espectro Projeto 4: Iris • Foco em flexibilidade e SDRreconfigurável • Utiliza componentes que podem ser interligados • Três engines para possibilitar reconfiguração: • PHY Escalonado • PHY Flexível • Pilha de Rede Configuração Aplicações Core ComponentesReutilizáveis API do Iris Engine de Rádio Gerenciador de Componentes Hardware/Arquitetura de Rádio Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  32. Arquiteturas para Acesso ao Espectro Comparativo entre as arquiteturas/projetos Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  33. Agenda • Introdução a Redes de Rádios Cognitivos • Funções Cognitivas • Arquiteturas para Acesso ao Espectro • Gerenciamento de Rádios Cognitivos • Cenários de Utilização • Pesquisas em Rádios Cognitivos • Considerações Finais Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  34. Gerenciamento de Rádios Cognitivos Arquiteturas para gerenciamento • Local • Global CPE CPE CPE CPE CPE CPE CPE CPE BS BS BS ISP Base de Dados Sistema de Controle Sistema de Gerenciamento BS: Base Station CPE: Consumer Premisses Equipment Figuraadaptada de [40] Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  35. Gerenciamento de Rádios Cognitivos Gerenciamento Local • Grande quantidade de dados • Informações do Usuário • Informações de Contexto • Informações de Política CPE BS Figuraadaptada de [40] Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  36. Gerenciamento de Rádios Cognitivos Gerenciamento Global • Garantir que as políticas sejam seguidas • Perfil de usuário • Contexto • Políticas • Configurações CPE CPE CPE CPE CPE BS BS Seleção de Configuração Gerênciade Perfis Aquisição de Contexto Aplicação de Configuração Derivação de Políticas Base de Aprendizado Figuraadaptada de [79] Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  37. Gerenciamento de Rádios Cognitivos Proposta 1: Especificações do padrão IEEE 802.22 [40] • Gerência local • Informações mantidas no formato de uma MIB Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  38. Gerenciamento de Rádios Cognitivos Proposta 2: CRNM • Cognitive RadioNetwork Management • Gerência local baseado emabordagem global • Proposto em 2008 • Wang et al. [82] • Regras de negócio Interface do Usuário Geração de Políticas Tradução de Políticas NíveisIntermediários Descoberta de Recursos TrasceptorAdaptativo Hardware Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  39. Gerenciamento de Rádios Cognitivos Proposta 3: CREMS • CognitiveReconfigurableEquipment Management System • Gerência global • Proposto em 2007 • Stavroulaki et al. [80] Arquitetura CREMS Perfis e Políticas Monitoramentoe Descobertada Rede Negociação e Seleção de Reconfiguração EquipamentosReconfiguráveis Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  40. Gerenciamento de Rádios Cognitivos Proposta 4: CTMS • Cognitive Terminal Management System [81] • Stavroulaki et al. propôsem 2008, baseado no CREMS Fase 1 (Gerência Local) Localização Instante de Tempo Serviço Nível de QoS Opinião do Usuário Papel do Usuário Fase 2 (GerênciaGlobal) Volume de Utilização CustoMáximo Aceitável Fase 3 (GerênciaGlobal) QoSemRedeEspecífica Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  41. Agenda • Introdução a Redes de Rádios Cognitivos • Funções Cognitivas • Arquiteturas para Acesso ao Espectro • Gerenciamento de Rádios Cognitivos • Cenários de Utilização • Pesquisas em Rádios Cognitivos • Considerações Finais Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  42. Cenário 1: IEEE 802.22 Plano Cognitivo Plano de Dados Plano de Gerenciamentoe Controle CamadasSuperiores BD CS - SAP Gerenciamento Espectral (SM) Subcamada de Convergência Management Information Base (MIB) M- SAP MAC - SAP Subcamada Comum Gerenciamento e Controle da Rede Ferramentas de Segurança da Rede SM-SSF SAP SM-GL SAP PHY - SAP PHY C- SAP Função de Sensoriamento Espectral (SSF) Geolocalização (GL) Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  43. Cenário 1: IEEE 802.22 • Camada Física: • OrthogonalFrequencyDivisionMultiple Access (OFDMA) com 2048 subportadoras • Largura de banda: 6, 7 ou 8 MHz • Suporta Time Division Duplex (TDD), podendo incluir FrequencyDivision Duplex (FDD) no futuro • Não suporta organização das antenas tipo Multiple Input Multiple Output (MIMO) Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  44. Cenário 1: IEEE 802.22 • Codificação de Canal: • Códigos Convolucionais são obrigatórios • Podem ser aplicados Turbo Codese LowDensityParityCheck(LDPC) • Entrelaçamento de bloco • Modulações: BPSK, QPSK e QAM • 14 ModulationandCodingSchemes (MCS) • 12 para transmissão de dados • 2 para envio de mensagens de controle Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  45. Cenário 1: IEEE 802.22 • Camada MAC: • Orientada à conexão • Upstream: compartilhado usando DAMA (Demand Assigned Multiple Access) • Algoritmo de escalonamento deve ser proposto • Downstream: escalonamento simples • Dados organizados em slots consecutivos Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  46. Cenário 1: IEEE 802.22 • Camada MAC (cont.): • Tecnologias tradicionais implementam: • Sincronização, ranging, negociação de capacidade, autorização, registro, configuração de conexão • IEEE 802.22 inclui também: • Geolocalização, base de dados de acesso, sensoriamento espectral inicial, sincronização entre redes e descoberta de vizinhos Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  47. Cenário 2: Frequências ISM • Coexistência entre tecnologias nas faixas ISM Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  48. Cenário 3: Redes de Sensores Sem Fio • Redes de Sensores Sem Fio e Industriais (TDMA) • Modelagem Poisson [83] • Alocação Q-Learning [84] e Q-Noise Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  49. Cenário 4: OFDMA Características • Podeseraplicadoemredescelulares e redes de quartageração • Utilizar a capacidadesobressalente no canal • Sensoriamento baseado na capacidade do canal • Ideal para serviços Best Effort, mas há soluções pensando em QoS Subcanais (Frequência) Preâmbulo Dados 2 Mapas Dados 3 Dados 1 Livre Símbolos OFDM (tempo) Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

  50. Agenda • Introdução a Redes de Rádios Cognitivos • Funções Cognitivas • Arquiteturas para Acesso ao Espectro • Gerenciamento de Rádios Cognitivos • Cenários de Utilização • Pesquisas em Rádios Cognitivos • Considerações Finais Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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