` Rádios Cognitivos: Conceitos Básicos Minicurso Introdução à Redes Sem Fio Inteligentes Semana Acadêmica 2013/1 Cristiano Both, Rafael Kunst, Lucas Bondan,

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Rádios Cognitivos:Conceitos Básicos

MinicursoIntrodução à Redes Sem Fio Inteligentes

Semana Acadêmica 2013/1

Cristiano Both, Rafael Kunst, Lucas Bondan, Maicon Kist, Leonardo Faganello, Lisandro Granville, Juergen Rochol

Agenda

① Introdução a Redes de Rádios

Cognitivos

② Aprendizado em Rádios Cognitivos

③ Funções Cognitivas

④ Cenários de Utilização

⑤ Considerações Finais

2Semana Acadêmica do Instituto de InformáticaPorto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

Redes de Rádios Cognitivos

3

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

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]


255-406

406-470

470-512

512-608

608-698

698-806

806-902

902-928

928-960

960-1240

1240-1300

1300-1400

1400-1525

1525-1710

1710-1850

1850-1990

1990-2110

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Faixa de Frequência (MHz)

Uti

lização


5

Utilização do Espectro nos Estados Unidos



6

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


Agenda


Cognitivos







8

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-aware e content-

aware



9


Bakssiny et al. (2013)


Técnicas de Aprendizage

m

Não Supervisiona

das

Aprendizagem por

Reforço

MétodosBayesianos

Teoria dos Jogos

Supervisionadas

Redes Neurais

Máquina de Vetores


10


Não Supervisionado Permite aprendizagem autônoma Não demanda conhecimento prévio

sobre o ambiente

Supervisionado Conhecimento prévio é necessário Por exemplo: formato de uma onda



11


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


Agenda


Cognitivos







13

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 Coexistence

Beacon Protocol (CBP)Semana Acadêmica do Instituto de Informática

Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013


14

Funções Cognitivas (cont.)

Usuários secundários devem implementar quatro

mecanismos para lidar com a escassez espectral:

1. Determinar porções não utilizadas do espectro

2. Selecionar o melhor canal dentre os disponíveis

3. Compartilhar o acesso com outros usuários

4. Liberar o canal quando um usuário primário

desejar transmitir


Cam

ad

a d

e E

nla

ce


15

Funções Cognitivas [52]

Energia Frequência

Tempo

Livre

LivreLivre

Cam

ad

a F

ísic

a

Sensoriamento

Compartilhamento

DecisãoMobilidade

Atividades dos usuários primários

Requisição de adaptação

Relatório de reconfiguração do rádio

• Quatro funções definidas para possibilitar a implementação dessas técnicas



16

Sensoriamento Espectral [46]

Sensoriamento Espectral

Detecção do Sinal do Transmissor

Sensoriamento Cooperativo

Baseado na Interferência

SensoriamentoCicloestacionário

Detecção de Formato de Onda

Detecção deEnergia

Identificaçãode Rádio

FiltragemCasada

Centralizado Distribuído


• 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

SensoriamentoCicloestacionário

Detecção de Formato de Onda


17

Sensoriamento Espectral [46]

Detecção deEnergia

Identificaçãode Rádio

FiltragemCasada

• 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

Compartilhamento Espectral [52]

Unidade

Central

Centralizado [53]

Requisição/Resposta - Políticas

Usuário secundário

Área de compartilhamento espectral

Distribuído [54] Colaborativo [52]

Mapa de alocação espectral

Base de Políticas

Network #1 Network #2

Base de Políticas

Base de Políticas



19

Decisão Espectral [56]

Usuário secundário seleciona o melhor canal

disponível

Leva em consideração

o histórico do canal

Interferências

Média de utilização

Atrasos/Jitter

Selecionado

Analisa o passado



20

Mobilidade Espectral [52]

Alteração na configuração do

dispositivo (Handoff espectral)

Recebe informações da

função de decisão espectral

A duração do handoff deve ser conhecida pelos

usuários secundários para evitar interferências

Selecionado

Handoff


Agenda


Cognitivos






Cenário 1: IEEE 802.22

22

PHY

Subcamada Comum

Subcamada de Convergência

PHY - SAP

MAC - SAP

Camadas Superiores

CS - SAP

Plano de Dados Plano de Gerenciamento e Controle

ManagementInformationBase (MIB)

Plano Cognitivo

GerenciamentoEspectral

(SM)

Função de Sensoriament

oEspectral

(SSF)

Geolocalização

(GL)

SM-SSF SAP

SM-GL SAP

M-

SA

PC

- S

AP

BD

Gere

nci

am

ento

e C

on

trole

da

Rede

Ferr

am

enta

s de S

egura

nça

da

Rede



Camada Física:

Orthogonal Frequency Division Multiple Access

(OFDMA) com 2048 subportadoras

Largura de banda: 6, 7 ou 8 MHz

Suporta Time Division Duplex (TDD), podendo

incluir Frequency Division Duplex (FDD) no

futuro

Não suporta organização das antenas tipo

Multiple Input Multiple Output (MIMO)



Codificação de Canal:

Códigos Convolucionais são obrigatórios

Podem ser aplicados Turbo Codes e Low

Density Parity Check (LDPC)

Entrelaçamento de bloco

Modulações: BPSK, QPSK e QAM

14 Modulation and Coding Schemes (MCS)

12 para transmissão de dados

2 para envio de mensagens de controle



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



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



Superquadro IEEE 802.22:


Superquadro n-1 Superquadro n Superquadro n+1… …

160ms

Quadro 0 Quadro 1 Quadro 14 Quadro 15…10ms

Preâmbulo doSuperquadro

Preâmbulo Quadro

Cabeçalho

Preâmbulo Quadro Fonte: Norma IEEE 802.22


Superquadro IEEE 802.22 - Coexistência:


Superquadro n-1 Superquadro n Superquadro n+1… …

160ms

Quadro 0

Quadro 1

Quadro 15…WRAN 0

WRAN 1

29

Fonte: Norma WRAN IEEE 802.22

Quadro IEEE 802.22

Cenário 2: Frequências ISM

30

Coexistência entre tecnologias nas faixas ISM


Cenário 3: Redes de Sensores Sem Fio

31

Redes de Sensores Sem Fio e Industriais (TDMA)

Modelagem Poisson [83]

Alocação Q-Learning [84] e Q-Noise [85]


Cenário 4: OFDMA

32

Características

Pode ser aplicado em redes celulares e redes de quarta geração

Utilizar a capacidade sobressalente no canal

Sensoriamento baseado

na capacidade do canal

Ideal para serviços

Best Effort, mas há soluções pensando em QoS

Dados 1

Dados 2

Dados 3

Map

as

LivrePre

âm

bulo

Subcanais (Frequência)

Símbolos OFDM (tempo)


Agenda


Cognitivos






Considerações Finais

Importância dos rádios cognitivos

Conceitos de cognição

Funções cognitivas e arquiteturas

Cenários de utilização


Referências

35

[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. Disponível em <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


Referências

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Referências

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Referências


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