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  1. Rádios Cognitivos:Conceitos BásicosMinicursoIntrodução à Redes Sem Fio InteligentesSemana Acadêmica 2013/1 Cristiano Both, Rafael Kunst, Lucas Bondan, Maicon Kist, Leonardo Faganello, Lisandro Granville, Juergen Rochol

  2. Agenda • Introdução a Redes de Rádios Cognitivos • Aprendizado em Rádios Cognitivos • Funções Cognitivas • Cenários de Utilização • Considerações Finais Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  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 Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  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] Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  5. Redes de Rádios Cognitivos Utilização do Espectro nos Estados Unidos Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  6. Redes de Rádios Cognitivos Utilização do Espectro nos Estados Unidos • 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 Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  7. Agenda • Introdução a Redes de Rádios Cognitivos • Aprendizado em Rádios Cognitivos • Funções Cognitivas • Cenários de Utilização • Considerações Finais Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  8. Redes de Rádios Cognitivos Aprendizado em Rádios Cognitivos • Rádio cognitivo é um termo proposto por Mitola em 1999 que designa rádios inteligentes • RC tomam decisões baseadas no ambiente de RF usando um modelo de raciocínio • Podem aprender com suas experiências passadas • Devem ser self-aware, context-awaree content-aware Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  9. Redes de Rádios Cognitivos Aprendizado em Rádios Cognitivos • Bakssiny et al. (2013) Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  10. Redes de Rádios Cognitivos Aprendizado em Rádios Cognitivos • Não Supervisionado • Permite aprendizagem autônoma • Não demanda conhecimento prévio sobre o ambiente • Supervisionado • Conhecimento prévio é necessário • Por exemplo: formato de uma onda Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  11. Redes de Rádios Cognitivos Aprendizado em Rádios Cognitivos • Rádio cognitivo utiliza este aprendizado para prover 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 • 4 funções cognitivas são definidas Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  12. Agenda • Introdução a Redes de Rádios Cognitivos • Aprendizado em Rádios Cognitivos • Funções Cognitivas • Cenários de Utilização • Considerações Finais Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  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) Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  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 Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  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 Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  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 Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  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] Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  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 Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  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 Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  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 Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  21. Agenda • Introdução a Redes de Rádios Cognitivos • Aprendizado em Rádios Cognitivos • Funções Cognitivas • Cenários de Utilização • Considerações Finais Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  22. 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) Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  23. 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) Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  24. 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 Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  25. 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 Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  26. 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 Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  27. Cenário 1: IEEE 802.22 160ms … … Superquadro n-1 Superquadro n Superquadro n+1 • Superquadro IEEE 802.22: 10ms … Quadro 0 Quadro 1 Quadro 14 Quadro 15 Preâmbulo do Superquadro Preâmbulo Quadro Cabeçalho Preâmbulo Quadro Fonte: Norma IEEE 802.22 Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  28. Cenário 1: IEEE 802.22 160ms … … Superquadro n-1 Superquadro n Superquadro n+1 • Superquadro IEEE 802.22 - Coexistência: … Quadro 0 Quadro 15 WRAN 0 Quadro 1 WRAN 1 Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  29. Quadro IEEE 802.22 Fonte: Norma WRAN IEEE 802.22

  30. Cenário 2: Frequências ISM • Coexistência entre tecnologias nas faixas ISM Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  31. 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 [85] Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  32. 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) Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  33. Agenda • Introdução a Redes de Rádios Cognitivos • Aprendizado em Rádios Cognitivos • Funções Cognitivas • Cenários de Utilização • Considerações Finais Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  34. Considerações Finais • Importância dos rádios cognitivos • Conceitos de cognição • Funções cognitivas e arquiteturas • Cenários de utilização Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

  35. Referências [1] Weagant, A. Some Recent Radio Sets of the Marconi Wireless Telegraph Company of America. Proceedings of the IRE, vol 1, no 4, December 1913, pp. 43-61 [2] Mengel, T. Tracking the Earth Satellite, and Data Transmission, by Radio. Proceedings of the IRE, vol 44, no 6, June 1956, pp. 755-760 [3] Berman, A. Multiple-Carrier Behavior of a Frequency-Selective Ferrite Limiter Communications. IEEE Transactions on [legacy, pre – 1988], vol. 12, no 2, June 1964, pp. 138-150 [4] Sekimoto, T.; Puente, J. A Satellite Time-Division Multiple-Access Experiment Communications. IEEE Transactions on [legacy, pre – 1988], vol 16, no 4, August 1968, pp. 581-588 [5] Arnstein, D. Power Division in Spread Spectrum Systems with Limiting Communications. IEEE Transactions on [legacy, pre – 1988], vol 27, no 3, March 1979, pp. 574-582 [6] N. Abramson, The ALOHA System Final Technical Report, Advanced Research Projects Agency, Contract Number NAS2-6700, October 11, 1974. [7] Smethurst, E. Effect of grain size on the microwave and infrared transmission properties of polycrystalline yttrium-iron-garnet. IEEE Transaction on Magnetics, vol 6, no 3, September 1970, pp. 618-618 [8] Kleinrock, L.; Tobagi, F. Packet Switching in Radio Channels: Part I--Carrier Sense Multiple-Access Modes and Their Throughput-Delay Characteristics. IEEE Transactions on Communications [legacy, pre – 1988], vol 23, no 12, December 1975, pp. 1400-1416 [9] Morgan, P.; Hannah, M.; Collins, H. Spread-spectrum synchronizer using a SAW convolver and recirculation loop. Proceedings of the IEEE, vol 64, no 5, May 1976, pp. 751-753 [10] Shaft, P. Low-Rate Convolutional Code Applications in Spread-Spectrum Communications. IEEE Transactions on Communications [legacy, pre – 1988], vol 25, no 8, August 1977 pp. 815-822 [11] ISO, International Standards for Business, Government and Society. Disponívelem <http://www.iso.org/iso/home.htm>, 2007. [12] Hanson, L.; Bronell, E. Human factors evaluation of calling procedures for the advanced mobile phone system (AMPS). IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol 28, no 2, May 1979 pp. 126-131 [13] Callendar, H.; Donald, I. Network design for a fully automatic wide area radiotelephone service. IEEE Vehicular Technology Conference, 1979, vol 29, 27-30 March, pp. 245-252 [14] Kirby, R. International standards in radio communication. IEEE Magazine Communications, vol 23, no 1, January 1985 pp. 12-17 [15] Mallinder, T. Specification methodology applied to the GSM system. 8th European Conference on Area Communication (EUROCON), 13-17 June 1988, pp. 458-461 Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

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  43. Obrigado!Perguntas? Rafael Kunst rkunst@inf.ufrgs.br MinicursoIntrodução à Redes Sem Fio InteligentesSemana Acadêmica 2013/1