` Redes de Rádios Cognitivos: Arquiteturas, Sensoriamento Espectral e Questões Regulatórias Minicurso Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília,

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Redes de Rádios Cognitivos:

Arquiteturas, Sensoriamento Espectrale Questões Regulatórias

MinicursoSimpósio Brasileiro de Telecomunicações

Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Rafael Kunst, Cristiano Both, Lucas Bondan, Maicon Kist, José Jair Santanna, Leonardo Faganello,

Lisandro Granville, Juergen Rochol

Agenda

① Introdução a Redes de Rádios Cognitivos

② Funções Cognitivas

③ Arquiteturas para Acesso ao Espectro

④ Gerenciamento de Rádios Cognitivos

⑤ Cenários de Utilização

⑥ Pesquisas em Rádios Cognitivos

⑦ Considerações Finais

2Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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

Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012


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

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



7

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 publicadoSimpósio Brasileiro de Telecomunicações



8

Questões Regulatórias no Brasil

Recomendações e decretos em vigor:

Lei n. 9472 de 1997

LGT: Lei Geral das Telecomunicações

Decreto n. 4.901 (2003):

Sistema Brasileiro de TV digital

Recomendação ITU-R, BT.798-1:

Canalização VHF e UHFSimpósio Brasileiro de Telecomunicações



9

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 RCSimpósio Brasileiro de Telecomunicações



10

Canais de TV Digital


6 MHz


11

Canais UHF e VHF


Agenda










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)Simpósio Brasileiro de Telecomunicações



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]


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/JitterSimpósio Brasileiro de Telecomunicações


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









Arquiteturas para Acesso ao Espectro

22

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 hardwareSimpósio Brasileiro de Telecomunicações



23

Software Defined Radio (SDR) [55]

Interface de rádio flexível que pode ser implementada

tanto em software, quanto em hardware

Permite a implementação do handoff espectral

Codificação D/AEntrelaçamento

Modulação Filtragem

Codificação A/DEntrelaçamento

Modulação Filtragem

Transmissor

Receptor

Canal Σ



Universal Software Radio Peripheral

(USRP)

Transforma computadores de propósito

geral em plataformas de hardware para

execução de SDR

Placa-mãe contendo uma FPGA


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



Placa Filha de

Transmissão

Computador

A/DD/A

FPGA

A/DD/A

Placa Filha de

Transmissão

Placa Filha de

Recepção

A/DD/A

A/DD/A

Placa Filha de

Recepção


Software Communications Architecture

(SCA)

Desenvolvida pelo Departamento

de Defesa dos EUA

Independência de hardware

Reuso de software


Middleware

CORBA

SO e Pilhas de Protocolos

Módulos de Suporte ao HardwareHardware

SCA FC

A1 A2 A3 A4 A5


Software Communications Architecture

(SCA)

Framework Central:


Gerenciador de

Dispositivos

Sistemas deArquivos

Gerenciador de

Domínios

DispositivosGerenciador

deAplicações

Aplicações


Projeto 1:

Open Source SCA Implementation Embedded

(OSSIE)

Gera código no formato especificado pela SCA

Projetada para ensino e pesquisa

Possui uma GUI, chamada de Waveform Developer

Possui um depurador, chamado ALF



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++)

USRP

Processamento de Sinais (C++)

Interface (USB ou Gb Ethernet)


Projeto 3: Sora

Desenvolvido pela Microsoft

Research Asia

Implementado através de um

hardware conectado à

placa-mãe de computadores:

Radio Control Board (RCB)


Aplicação

Camada de Rede (TCP/IP)

MAC

Módulos de Software

PHY

Gerenciador

RCB

Biblioteca de Suporte

PHY

Fluxos

Tempo Real

RCB


Projeto 4: Iris

Foco em flexibilidade e SDR

reconfigurável

Utiliza componentes que

podem ser interligados

Três engines para possibilitar

reconfiguração:

PHY Escalonado

PHY Flexível

Pilha de Rede31Simpósio Brasileiro de Telecomunicações


Configuração

Aplicações

Core

Gerenciador de Componentes

Hardware/Arquitetura de Rádio

Engine de Rádio

API do Iris

Com

ponente

s R

euti

lizáveis


Comparativo entre as arquiteturas/projetos


Arquitetura HardwareDedicado

Sistema Operaciona

lGUI Linguagens

OSSIE X Unix X Phyton/C++

GNU Radio X Windows/Unix X Phyton/C++

Sora X Windows C++

Iris X Windows/Unix C++

Agenda









Gerenciamento de Rádios Cognitivos

Arquiteturas para gerenciamento

Local

Global

CPE

BS

CPE

CPECPE

BS

CPE

BS

CPE

CPE


CPE ISP

Base de Dados

Sistema de Controle

Sistema de Gerenciamen

toFigura adaptada de [40]

BS: Base StationCPE: Consumer Premisses Equipment


Gerenciamento Local

Grande quantidade de

dados

Informações do Usuário

Informações de

Contexto

Informações de Política


BS

CPE

Figura adaptada de [40]


Gerenciamento Global

Garantir que as políticas sejam seguidas

Perfil de usuário

Contexto

Políticas

Configurações


Figura adaptada de [79]

BS

CPE

CPE

Gerência de PerfisAquisição

de ContextoDerivação

de Políticas

Seleção de Configuraçã

o

Aplicação de Configuraçã

oBase de

Aprendizado

BS

CPE

CPE

CPE


Proposta 1: Especificações do padrão IEEE

802.22 [40]

Gerência local

Informações mantidas no formato de uma MIB


Grupo Funcionalidade

wranDevMib Detalha objetos que serão gerenciados na BS e no CPE

wranIfBsMib Operação da BS, baseada no modelo FCAPS

wranIfBsSfMgmt Configuração, instanciação e gerência

wranIfCpeMib Define objetos para gerência dos CPEs

wranIfSmMib Gerência do espectro de frequências

wranIfSsaMib Configuração e operação do Spectrum Sensing Automaton

wranIfDatabaseServiceMib

Acesso e interação com o banco de dados


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

Níveis Intermediários

Hardware

Descoberta de Recursos

Trasceptor Adaptativo


Proposta 3: CREMS

Cognitive Reconfigurable Equipment Management System

Gerência global

Proposto em 2007

Stavroulaki et al. [80]


Perfis e Políticas

Monitoramento

e Descoberta da Rede

Negociação e Seleção de

Reconfiguração

Arquitetura CREMS

Equipamentos Reconfiguráveis


Proposta 4: CTMS

Cognitive Terminal Management System [81]

Stavroulaki et al. propôs em 2008, baseado no CREMS


Fase 1 (Gerência Local)

LocalizaçãoInstante de

TempoServiço

Nível de QoS

Opinião do Usuário

Papel do Usuário

Fase 2 (Gerência Global)

Volume de Utilização

Custo Máximo

Aceitável

Fase 3 (Gerência Global)QoS em

Rede Específica

Agenda









Cenário 1: IEEE 802.22


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


Cenário 2: Frequências ISM


47

Coexistência entre tecnologias nas faixas ISM

Cenário 3: Redes de Sensores Sem Fio


48

Redes de Sensores Sem Fio e Industriais (TDMA)

Modelagem Poisson [83]

Alocação Q-Learning [84] e Q-Noise

Cenário 4: OFDMA


49

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









Pesquisas em Rádio Cognitivo

51

Controle de Acesso ao Meio [57]

Três abordagens principais:

Bootstrap: definição de quais canais serão sensoriados

[60, 64]

Sensoriamento simultâneo em múltiplos canais

(cooperativo)

Canal de controle e gerenciamento

Dedicado a informações de controle [58, 59, 61, 62, 63, 65,

66, 67]

Dividido entre controle e dados [68, 69]Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16

de setembro de 2012


52

Controle de Admissão Espectral

Tipicamente centralizado

Busca garantir QoS

Principais abordagens:

Controle de admissão baseado na energia [75]

Minimização da interferência [76]

Maximização da vazão [77]Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16

de setembro de 2012


53

Escalonamento para Compartilhamento

Espectral

Duas abordagens principais:

Centralizada [70, 71, 72]

Teoria das filas

Decisão baseada em cadeias de Markov

Distribuído (mesh) [73, 74]

Compartilhamento colaborativo

Troca de mensagens de controleSimpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16

de setembro de 2012


54

Aplicações de Rádios Cognitivos

A principal aplicação atual é acesso de banda larga

Poucos trabalhos focam em outras aplicações

Wang [78] propôs o principal deles, focando em:

Smart Grid

Segurança pública

Redes celulares

Aplicações médicasSimpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16

de setembro de 2012

Agenda









Considerações Finais

Importância dos rádios cognitivos

Funções cognitivas e arquiteturas

Gerenciamento de rádios cognitivos

Cenários de utilização

Pesquisas atuais


Considerações finais

57

Grupo de Pesquisa em Comunicações Sem Fio


Juergen RocholProfessor Convidado do Instituto de Informática da UFRGSDoutor em Ciência da Computação (UFRGS, 2001)www.inf.ufrgs.br/~juergen

Lisandro Zambenedetti GranvilleProfessor Associado do Instituto de Informática da UFRGSDoutor em Ciência da Computação (UFRGS, 2001)www.inf.ufrgs.br/granville

Rafael KunstDoutorando no II/UFRGSProfessor no Unilasalle/CanoasMestre em Ciência da Computação (UFRGS, 2009)www.inf.ufrgs.br/~rkunst

Cristiano Bonato BothPós-Doutorando no II/UFRGSProfessor na UNISCDoutor em Ciência da Computação (UFRGS, 2012)www.inf.ufrgs.br/~cbboth

http://www.inf.ufrgs.br/~juergen

http://www.inf.ufrgs.br/granville

http://www.inf.ufrgs.br/~rkunst

http://www.inf.ufrgs.br/~cbboth

Considerações finais

58



Lucas BondanMestrando no II/UFRGSGraduado em Engenharia da Computação (PUCRS, 2011)

www.inf.ufrgs.br/~lbondan

Maicon KistMestrando no II/UFRGSGraduado em Engenharia da Computação (UNISC, 2011)

www.inf.ufrgs.br/~maicon.kist

Leonardo Roveda FaganelloAluno Esepcial no II/UFRGSGraduado em Engenharia da Computação (UFRGS, 2012)

www.inf.ufrgs.br/~lfaganello

José Jair Cardoso de SantannaAluno Especial no II/UFRGSMestre em Ciência da Computação (UFRGS, 2012)

www.inf.ufrgs.br/~jjcsantanna

http://www.inf.ufrgs.br/~lbondan

http://www.inf.ufrgs.br/~maicon.kist

http://www.inf.ufrgs.br/~lfaganello



http://www.inf.ufrgs.br/~jjcsantanna




http://networks.inf.ufrgs.br/

Experiência em Redes Sem Fio há 6 anos

Há 2 anos trabalhamos com Rádios Cognitivos

Projeto Algoritmos para Sensoriamento Espectral

em Redes IEEE 802.22

Projeto Desenvolvimento de Tecnologias para

Redes Sem Fio de Quarta Geração

Considerações Finais




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. 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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