Cadernos CPqD Tecnologia V7 Nº 1

IS

19-

19S

N

8046

www.cpqd.com.br

Rodovia Campinas-Mogi-Mirim (SP340) – km 118,5 – CEP 13086-902(acesso pela Rua Dr. Ricardo Benetton Martins) Campinas – SP – Brasil

Vol. 7 • n. 1 • julho 2010/junho 2011

Cadernos CPqD

Tecnologia

Cadernos CPqD

Tecnologia

Cad

ern

os C

Pq

D Te

cn

olo

gia

Vo

l. 7 •

n. 1

• ju

lho 2

01

0/ju

nh

o 2

01

1

Tecnologias de camada física e MAC para redes LTEFabbryccio A. C. M. Cardoso, Donato Manzan Júnior, Rafael Mendes Vilela, Fabrício Lira Figueiredo

Rádios cognitivos: desafios e tendências Juliano João Bazzo, Fabbryccio A. C. M. Cardoso, Donato Manzan Júnior, Edson José Bonon, Ricardo Takaki, Douglas Gameiro Diniz

Integrando satélite com redes banda larga sem fio terrestres Marcos Guimarães Castello Branco, Juliano João Bazzo, Ralph Robert Heinrich

Redes de sensores ZigBee: visão geral da tecnologia e análise de consumo dos nós Fabrício Poloni dos Santos

Sincronismo para sistemas adaptativos utilizando marca d'águaMário Uliani Neto, Leandro de Campos Teixeira Gomes, João Marcos Travassos Romano

OpenFlow e redes definidas por software: um novo paradigma de controle e inovação em redes de pacotesChristian Esteve Rothenberg, Marcelo Ribeiro Nascimento, Marcos Rogério Salvador, Maurício Ferreira Magalhães

Propriedade intelectual do CPqD

Cadernos CPqD TecnologiaEditores-Chefes Claudio A. Violato

João Marcos Travassos Romano

Editoria ExecutivaDiretoria de Gestão da Inovação

Aldionso Marques MachadoAntonio Carlos Gravato Bordeaux Rego

Claudio de Almeida LouralMoacir Giansante

Comitê Editorial(Fórum de P&D do CPqD)

João Marcos Travassos Romano (Universidade Estadual de Campinas – Unicamp) Cláudia Maria Bauzer Medeiros (Sociedade Brasileira de Computação – SBC)

Hypolito José Kalinowski (Sociedade Brasileira de Microondas e Optoeletrônica – SBMO)Jamil Haddad (Universidade Federal de Itajubá – Unifei)

Luciano Paschoal Gaspary (Sociedade Brasileira de Computação – SBC)Rege Romeu Scarabucci (Representante do Conselho Curador do CPqD)

Valdemar Cardoso da Rocha Jr (Sociedade Brasileira de Telecomunicações – SBrT)Weiler Alves Finamore (Sociedade Brasileira de Telecomunicações – SBrT)

Preparação e DiagramaçãoElisabete da Fonseca

Juliana Cristina Fernandes PereiraMarcela de Souza Scatolin

Márcia Inêz de Oliveira Andrade BozziMaria Fernanda Simonetti Ribeiro de Castilhos

Sergio Ricardo MazzolaniThaís Ribeiro Bueno

Tiragem1.000 exemplares

Correspondência e Pedidos de AssinaturaAssessoria de Comunicação e Inteligência de Mercado – ACIM

Rodovia Campinas-Mogi-Mirim, km 118,5(acesso pela Rua Dr. Ricardo Benetton Martins)

CEP 13086-902 – Campinas, SP – BrasilDDG: 0800.7022773

e-mail: [email protected]

Diretoria do CPqDPresidente: Hélio Marcos M. Graciosa

Vice-Presidente de Tecnologia: Claudio A. ViolatoVice-Presidente Comercial: Luiz Del Fiorentino

Vice-Presidente Financeiro: Cesar Cardoso

Cadernos CPqD Tecnologia. Fundação CPqD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento

em Telecomunicações. Campinas, SP, v. 1, n. 1 (jan./dez. 2005 -) v.il.; 30 cm.

v.7, n.1, jul.2010./jun. 2011SemestralResumos em português e inglêsISSN 1809-1946

1. Tecnologia. 2. Telecomunicações. I. Fundação CPqD

CDD 621.38

A revista Cadernos CPqD Tecnologia é uma publicação da Fundação CPqD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento emTelecomunicações, dedicada à divulgação das pesquisas desenvolvidas pela instituição. A revista é distribuída gratuitamente.

Cadernos CPqD TecnologiaVol. 7, n. 1, jul. 2010/jun. 2011

ApresentaçãoClaudio A. Violato.......................................................................................................................................3

PrefácioJoão Marcos Travassos Romano..............................................................................................................5

Tecnologias de camada física e MAC para redes LTEFabbryccio A. C. M. Cardoso, Donato Manzan Júnior, Rafael Mendes Vilela, Fabrício Lira Figueiredo. .7

Rádios cognitivos: desafios e tendências Juliano João Bazzo, Fabbryccio A. C. M. Cardoso, Donato Manzan Júnior, Edson José Bonon, Ricardo Takaki, Douglas Gameiro Diniz..................................................................................................23

Integrando satélite com redes banda larga sem fio terrestres Marcos Guimarães Castello Branco, Juliano João Bazzo, Ralph Robert Heinrich.................................35

Redes de sensores ZigBee: visão geral da tecnologia e análise de consumo dos nós Fabrício Poloni dos Santos......................................................................................................................43

Sincronismo para sistemas adaptativos utilizando marca d'água Mário Uliani Neto, Leandro de Campos Teixeira Gomes, João Marcos Travassos Romano.................51

OpenFlow e redes definidas por software: um novo paradigma de controle e inovação em redesde pacotes

Christian Esteve Rothenberg, Marcelo Ribeiro Nascimento, Marcos Rogério Salvador, MaurícioFerreira Magalhães..................................................................................................................................65

Propriedade intelectual do CPqD.............................................................................................................77

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n. 1, p. 1-100, jul. 2010/jun. 2011

ISSN 1809-1946

Apresentação

A revista Cadernos CPqD Tecnologia chega ao sétimo volume com uma notável evolução no seu nível dematuridade, o que se reflete na maior qualidade dos artigos publicados e na diversidade de temastecnológicos abordados, dando uma ideia da abrangência do programa de pesquisa e desenvolvimentodo CPqD.

Além de divulgar resultados alcançados nos projetos para a comunidade de profissionais das diversasáreas das tecnologias da informação e comunicação (TICs), são apresentados também os pedidos depatente depositados no INPI no período correspondente ao de sua edição. Resultado do espírito inovadorde seus pesquisadores, nos dois últimos semestres foram depositados 22 pedidos de patente, o quedestaca a instituição entre as organizações que promovem a inovação no País.

O Fórum de P&D do CPqD, que constitui o Comitê Editorial dos Cadernos, teve sua composição alterada,com o encerramento dos mandatos dos professores Hugo Luis Fragnito (Unicamp), José AugustoSuruagy Monteiro (SBC) e Rui Seara (SBrT). Quero registrar nossos agradecimentos pela cordialconvivência e por suas valiosas contribuições, tanto para o programa de pesquisa e desenvolvimento doCPqD como para os Cadernos. Quero também dar as boas-vindas aos professores JamilHaddad (Unifei), Luciano Paschoal Gaspary (SBC) e Valdemar Cardoso da Rocha (SBrT), que passam aintegrar o Fórum de P&D e o Comitê Editorial, em substituição aos membros, cujos mandatos seencerraram.

Boa leitura!

Claudio A. ViolatoVice-Presidente de Tecnologia

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v.7, n.1, p. 3, jul. 2010/jun. 2011

PrefácioApresentam-se, neste número da revista Cadernos CPqD Tecnologia, seis novos artigos, envolvendotrabalhos recentes nas mais diversas áreas de atuação em pesquisa e desenvolvimento do CPqD.

O primeiro artigo, de Cardoso e colaboradores, aborda o tema das redes banda larga de quarta geração,provendo uma síntese do estado da arte das tecnologias de camadas MAC e PHY que integram assoluções 4G, organizando e apresentando-as de forma didática, com foco no que se considera essencialpara o entendimento da tecnologia de rádio LTE.

O segundo artigo, de Bazzo e colaboradores, trata do tema de rádios cognitivos, debatendo as iniciativasde pesquisa e desenvolvimento em âmbito global, focando tanto os desafios e tendências tecnológicascomo os esforços de regulamentação; descrevem-se ainda neste artigo algumas estratégias desensoriamento de espectro de radiofrequência.

No terceiro artigo, Castello Branco e colaboradores abordam a comunicação via satélite, focando osdesafios a serem enfrentados para reduzir os custos do provimento de acesso via satélite às regiõesremotas, e abordando igualmente questões regulatórias e propostas de pesquisa relacionadas ao tema.

No quarto artigo, dos Santos apresenta uma revisão sobre o padrão ZigBee e faz comparações entre osprotocolos de roteamento sob demanda e hierárquico para redes de sensores, verificando o desempenhodesses protocolos em relação ao consumo de energia, aspecto essencial para o bom desempenho deuma rede de sensores.

No quinto artigo, Uliani Neto e colaboradores propõem formas de incrementar a eficiência do processo dedetecção de uma marca d’água digital utilizada na recuperação da informação. Apresentam aindaresultados de simulações computacionais que confirmam o desempenho dos métodos propostos.

No sexto artigo, Rothenberg e colaboradores introduzem os princípios da tecnologia OpenFlow,apresentada como exemplo de inovação para permitir maior abertura e flexibilidade nos equipamentos derede de pacotes. O conceito de redes programadas por software é apresentado como um novoparadigma.

A qualidade e a diversidade dos trabalhos apresentados nos Cadernos CPqD Tecnologia sãoconsequência direta da participação cada vez mais intensa de autores da comunidade CPqD, assimcomo da cooperação dos membros do nosso Fórum de P&D no processo de revisão. A presente ediçãocompreende o período de julho de 2010 a junho de 2011. Cabe então um especial agradecimento, peloimportante trabalho e pela prazerosa convivência, aos colegas cuja participação no Fórum encerrou-seno período: professores Hugo Luis Fragnito, da Unicamp, José Augusto Suruagy Monteiro, da UNIFACS,e Rui Seara, da UFSC. Por outro lado, acolhemos com alegria os novos integrantes: professores JamilHaddad, da Unifei, Luciano Paschoal Gaspary, da UFRGS, e Valdemar Cardoso da Rocha Jr., da UFPE.Agradecemos ainda ao Dr. César Augusto Medina Sotomayor, do CETUC (PUC-Rio), peladisponibilidade em colaborar conosco com a cuidadosa revisão do artigo Rádios cognitivos: desafios etendências.

João Marcos Travassos RomanoPresidente do Fórum de P&D do CPqD

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v.7, n.1, p. 5, jul. 2010/jun. 2011

Tecnologias de camada física e MAC para redesLTE

Fabbryccio A. C. M. Cardoso*, Donato Manzan Júnior, Rafael Mendes Vilela, Fabrício LiraFigueiredo

O 3GPP Long Term Evolution (LTE) é um dos passos mais importantes das tecnologias móveis celularesna direção das redes banda larga de quarta geração (4G), devido, principalmente, à sua solução deinterface aérea. Há muita informação redundante na literatura, o que pode tornar a busca bastante difícile improdutiva. A proposta deste artigo é prover uma síntese do estado da arte das tecnologias decamada MAC e PHY que integram essa solução, ao organizá-las e apresentá-las de forma compacta,com foco no que se considera essencial para o entendimento do LTE.

Palavras-chave: LTE. OFDMA. SC-FDMA. MIMO. Scheduling.

Introdução

Mesmo sem alcançar todos os requisitos daITU (International Telecommunication Union)para ser considerado uma rede celular de quartageração, o LTE (Long Term Evolution) (3GPP,2010b) é popularmente chamado de tecnologia4G (MCQUEEN, 2009). Outros tentam ser maisprecisos e o classificam como tecnologia 3.9G. Omais importante, porém, é entender que LTE éuma tecnologia móvel celular IP cuidadosamenteprojetada para apresentar latência bem menor eeficiência espectral bem maior do que astecnologias precedentes de terceira geração. No LTE, a tecnologia de acesso sem fio estáalicerçada na técnica de multiplexação pordivisão em frequências ortogonais (OrthogonalFrequency Division Multiplexing – OFDM) (ZOU;WU, 1995), o que possibilita o alcance demelhorias significativas na alocação de recursosde rádio e na adaptação dos enlaces. Alémdisso, a partir de uma arquitetura de rede maissimples e de menor custo, o LTE deverá provernão apenas uma conexão mais rápida, mastambém uma variedade de novas aplicaçõesantes disponíveis apenas através de acessosbanda larga com fio à Internet. Um exemplo de tais aplicações é a navegaçãoem sites com conteúdos de vídeo embutidos empáginas Web e Web 2.0. Mais do que umatendência, o acesso a essas aplicações de vídeovem gerando um tráfego de dados cada vezmaior em redes de acesso banda larga com fio, eé inevitável que o mesmo ocorra nas redescelulares móveis (MCQUEEN, 2009). Antevendoessa demanda crescente por taxa de dados,Internet móvel e serviços interativos, como, porexemplo, VoIP e jogos on-line, o LTE foi incluídono roadmap do 3GPP (3rd Generation PartnershipProject) para garantir a competitividade dasoperadoras 3G e possibilitar um caminho deatualização de suas redes.

A Tabela 1 apresenta as característicasprincipais do LTE (3GPP, 2010a). As metasoriginais de taxa de bits para o sistema foramestabelecidas em 100 Mbit/s no downlink e50 Mbit/s no uplink, que podem ser alcançadaspelo sistema quando se opera com uma únicaantena (Single Input Single Output – SISO) ecom largura de banda de 20 MHz. Para largurasde banda mais estreitas, as taxas de bitscorrespondentes podem ser calculadas a partirdo escalonamento apropriado da taxa de bits em20 MHz. Portanto, independentemente da largurade banda, a eficiência espectral em SISO é de5 bit/s/Hz no downlink e de 2,5 bit/s/Hz no uplink.Quando se opera com multiplexação espacial emmúltiplas antenas (Multiple Input Multiple Output– MIMO) no downlink, essa eficiência espectral émultiplicada por 1,5 ou por 3, dependendo donúmero de antenas 2x2 ou 4x4, respectivamente.Isso corresponde, em 20 MHz, a taxas de 150 e300 Mbit/s.A especificação da latência na rede de acesso foidividida nos planos de usuário e de controle parapossibilitar sua otimização. No plano de usuário,a latência é definida pelo tempo que se leva parase transmitir um pacote IP do terminal de usuárioaté o nó de borda da rede de acesso por rádio(Radio Access Network – RAN) ou vice-versa. Orequisito de latência nesse plano estabelece queo tempo de ida do pacote não deve exceder 5 msem uma rede não carregada; o tempo de ida evolta do pacote não deve exceder 10 ms. Noplano de controle, o requisito de latência édefinido pelo tempo de transição do terminal deusuário entre o estado inativo (idle) e o estadoativo, quando o terminal pode enviar e receberdados. Essa latência na transição de estados doterminal não deve exceder 100 ms para o LTE.A especificação do sistema foi feita de forma ase obter o máximo desempenho paravelocidades de usuário de até 15 km/h. Umapequena degradação de desempenho é

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected].

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n.1, p. 7-22, jul. 2010/jun. 2011

Tecnologias de Camada Física e MAC para Redes LTE

permitida para velocidades superiores. Porém,para velocidades de até 120 km/h o sistema deveprover alto desempenho, sem perda de conexãoao longo da rede. Considerando-se o lado da operadora, além depossuir uma arquitetura de rede simplificada e debaixo custo, um dos méritos do LTE é aflexibilidade no uso de largura de banda e defaixa de operação. Uma rede pode serimplantada para operar com larguras de bandadesde 1,4 até 20 MHz. Isso possibilita o aumentode sua capacidade à medida que se aumenta ademanda por serviços de dados. O LTE tambémfoi especificado para atuar em uma grandevariedade de faixas de frequência, incluindo anova faixa de 2,6 GHz, em que há disponibilidadede banda, para se obter o máximo desempenhodo sistema nos 2x20 MHz necessários. Osistema também pode ser implantado em faixasdo GSM em 900 e 1.800 MHz, desde que hajauma reorganização dessas faixas, assim comonas faixas de TV de 700 MHz, que serãoliberadas no mercado americano.

1 Processamento em banda base

Neste artigo são descritas as principais

tecnologias empregadas nas camadasfísica (PHY) e de controle (L2/L3) da interfaceaérea do LTE. A camada física utilizatecnologias, como, por exemplo, OFDMA (ZOU;WU, 1995; CIOCHINA, SARI, 2010), SC-FDMA(MYUNG; LIM; GOODMAN, 2006), MIMO(PAULRAJ et al., 2004) e codificação turbo(WOODARD; HANZO, 2000). As camadas L2/L3,por sua vez, empregam tecnologias, como, porexemplo, enlace adaptativo, scheduling e HARQ2

(PEDERSEN et al., 2009; STERNAD, 2007). A Figura 1 ilustra o sistema de malha fechadapara o enlace de descida. O esquema para oenlace de subida é semelhante ao apresentado,porém, não há múltiplas antenas de transmissãoe a informação de canal é estimada diretamentepela eNodeB, sem a necessidade derealimentação. O processo de codificação e detransmissão é disponibilizado pela camada físicapara a camada MAC na forma de serviços,através de blocos de transporte. A cada intervalode transmissão (Transmission Time Interval –TTI, sendo 1 TTI = 1 subframe = 1 ms), até doisblocos de transporte são codificados, moduladose mapeados para os recursos de rádio doOFDMA. O processo de detecção de erro eretransmissão de blocos de transporte é inerentea esse processo e controlado pela MAC a partirde algoritmos de HARQ. Durante o processo deretransmissão do HARQ, é necessário que aMAC informe ao rate matching qual versão daredundância deverá ser empregada: RV0, RV1,RV2 ou RV3.A camada L2/L3 é responsável pelo acesso epelo controle dos recursos de rádio. Com baseem informações de status do canal (RI, PMI eCQI), é possível configurar o nível de modulação,a taxa de codificação e o esquema decodificação MIMO. Algoritmos de scheduling e decontrole do enlace adaptativo operam emconjunto nessa camada para otimizar a vazãototal da célula e do enlace de usuário. Nesseprocesso de operação são consideradas ascondições do canal e os parâmetros predefinidosde priorização e de QoS. Os parâmetros de status do canal, essenciaispara os algoritmos de enlace adaptativo escheduling, não são descritos explicitamente pelarelação sinal por interferência mais ruído (Signalto Interference plus Noise Ratio – SINR), que éestimada pelos sinais de referência do OFDMA. Essa informação tem de ser previamenteprocessada no UE (terminal de usuário). O que éde fato informado pelo UE é um conjunto deíndices que apontam para o melhor conjunto e

_____________________________________________________________

1 Siglas da Tabela 1: DL (downlink), UL (uplink), QAM (Quadrature Amplitude Modulation), QPSK (Quadrature Phase-ShiftKeying), FDD (Frequency Division Duplex), TDD (Time Division Duplex), HSDPA (3GPP Release 6 – High Speed DownlinkPacket Access), HSUPA (3GPP Release 6 – High Speed Uplink Packet Access) e SC-FDMA (Single Carrier – FrequencyDivision Multiple Access).

2 Mais detalhes sobre o HARQ serão apresentados na Seção 3.3.

8 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n.1, p. 7-22, jul. 2010/jun. 2011

Tabela 1 Características gerais do LTE1 Parâmetro Detalhe

Taxa de bit depico DL 64-QAM

(Mbit/s)100 (SISO), 150 (2x2 MIMO),300 (4x4 MIMO)

Taxa de bit depico UL (Mbit/s)

25 (QPSK), 50 (16-QAM), 75(64-QAM)

Tipo de dados Somente comutação por pacotes

Largura de banda(MHz) 1,4; 3; 5; 10; 15; e 20

Duplexação FDD e TDD

Mobilidade 0-15 km/h (otimizado)15-120 km/h (alto desempenho)

Latência Ocioso para ativo <~ 100 ms~ 10 ms para pacotes de dados

Eficiênciaespectral

DL 3 – 4 x Rel 6 HSDPAUL 2 – 3 x Rel 6 HSUPA

Múltiplo acesso OFDMA (DL) SC-FDMA (UL)

Tipos demodulação

QPSK, 16-QAM, 64-QAM (UL eDL)

Tecnologias de camada física e MAC para redes LTE

Cam

adas

L2/

L3: E

nlac

e Ad

apta

tivo

e Sc

hedu

ling

MAC: HARQ

CRC

Cod. Turbo

RM + HARQ

Modulação

Mapeamento para Antenas

MapeamentoBlocos de Recursos

OFDMA


OFDMA

… … …

… … … … … …

Até quatro antenas

CRC

Cod. Turbo

RM + HARQ

Modulação

Bloco de Transporte Bloco de Transporte L2/L3

PHY

MAC: HARQ

OFDMA

DemapeamentoBlocos de Recursos

OFDMA

DemapeamentoBlocos de Recursos

… … … … … …

Demap das Antenas

Demodulação

Decodificação

CRC

Demodulação

Decodificação

CRC

Vers

ão d

a R

edun

dânc

ia (R

V)

Taxa cod.

ACK

/ NA

CK

Indicador de Erro

Stat

us d

o ca

nal:

RI,

PMI e

CQ

I

L2/L3

PHY

eNodeB

Terminal de usuário (UE)

Bloco de Transporte Bloco de Transporte

Figura 1 Ilustração simplificada dos processamentos das camadas L1 (PHY), L2 e L3 para o enlace de descida

parâmetros do transmissor, tal que seja obtido omelhor desempenho do enlace em termos detaxa de bits e robustez. Os indicadoresinformados pelo UE são os seguintes:

a) RI (Rank Indicator), que informa o modode multiplexação espacial suportado peloUE;

b) PMI (Precoder Matrix Indicator), queinforma o esquema de codificaçãoespacial a ser utilizado para o modo MIMOde malha fechada (beamforming). Nessecaso, o esquema de pré-codificação éobtido a partir de uma tabela;

c) CQI (Channel Quality Indicator), queinforma os parâmetros preferíveis demodulação e de taxa de codificação decanal que podem ser utilizados pelotransmissor como referência de melhordesempenho para o enlace.

Nas Seções 2 e 3 são apresentadas astecnologias utilizadas nas camadas física (PHY)e de controle (L2/L3) da interface aérea,respectivamente.

2 Camada física

A camada física do LTE é construída sobre o

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n.1, p. 7-22, jul. 2010/jun. 2011 9


OFDM e agrega técnicas avançadas deprocessamento que possibilitam que o sistemaalcance alta eficiência espectral, alta capacidadee baixa latência. Exemplos de tais técnicas são:múltiplo acesso OFDMA/SC-FDMA(BERARDINELLI et al., 2008), codificação MIMO(BÖLCSKEI, 2006), codificação turbo (SKLAR,1997), entre outras.

2.1 Múltiplo acesso

O OFDM é o núcleo da tecnologia de camadafísica do LTE e foi escolhido devido aos váriosbenefícios que oferece enquanto técnica demultiplexação. O uso de múltiplas portadoras, porexemplo, possibilita organizar e configurar osrecursos de rádio a partir de um gridtempo-frequência, conforme Figura 2, provendomaior flexibilidade aos algoritmos de controle doenlace e de alocação de recursos. Por utilizarportadoras ortogonais, essa técnica permite quehaja sobreposição entre portadoras vizinhas seminterferência mútua. Isso torna o uso do espectrode frequências por múltiplas portadoras bemmais eficiente. Outro benefício do OFDM é apossibilidade de gerar um sinal banda larga dealta taxa de dados a partir de múltiplos sinaisbanda estreita de baixa taxa. Como o efeito docanal de transmissão é plano em um sinal debanda estreita, tal efeito pode ser compensadoem cada subportadora através de um ganho deamplitude e uma rotação de fase. Essaabordagem do OFDM provê grande robustez aosmúltiplos percursos do canal de transmissão ereduz a complexidade da estimação e daequalização de canal. Finalmente, o OFDM tem avantagem de poder ser implementado nodomínio digital a partir do algoritmo FFT (FastFourier Transform), que é um algoritmo rápido,de baixa complexidade e largamente difundido. O termo OFDMA advém da possibilidade queoferece de se realizar múltiplo acesso a partirdas portadoras no domínio da frequência. NoLTE, o termo é empregado para indicar o múltiploacesso de usuários a recursos não apenas nafrequência, mas também ao longo do tempo(símbolos OFDM). Esse mecanismo do ODA ébastante flexível e permite configurar a taxa decodificação e o esquema de modulação porusuário, bem como por recurso de rádio.A Figura 3 ilustra o diagrama de blocos doOFDMA e do SC-FDMA para comunicações comuma única antena (SISO). O OFDMA é oesquema de modulação utilizado no enlace dedescida, enquanto o SC-FDMA é o utilizado noenlace de subida. O SC-FDMA pode ser vistocomo uma versão pré-codificada do OFDMA, emque cada símbolo é inicialmente espalhado nafrequência por meio de uma FFT antes de serenviado para o modulador OFDM. Trata-se deuma solução híbrida que tenta conciliar osbenefícios do OFDM com a boa relação entre a

potência de pico e a potência média do sinal(Peak-to-Average Power Ratio – PAPR) dossistemas de portadora única. Essa característicaé importante para se flexibilizar os requisitos defaixa linear do amplificador de potência e de nívelde quantização dos conversores AD e DA. Umacomparação de desempenho entre o OFDMA e oSC-FDMA, assim como uma revisão dessastécnicas, pode ser encontrada em Berardinelli eoutros. (2008). Os componentes funcionais doOFDMA/SC-FDMA para o transmissor sãoapresentados na Figura 3 e consistem nosseguintes módulos:

a) módulo de pré-codificação FFT,empregado apenas no SC-FDMA: utilizadopara espalhar na frequência asinformações dos símbolos modulados emportadora única;

b) módulo de conversão serial para paralelo(Serial to Parallel – S/P): utilizado parademultiplexar um fluxo de dados de altataxa em n fluxos de baixa taxa;

c) módulo de mapeamento parasubportadoras: realiza o mapeamento dosbits de dados para os recursos de rádio.Os fluxos de baixa taxa de dados,provenientes do conversor S/P, sãomapeados para subportadoras e símbolosOFDM, de acordo com a regra de múltiploacesso. Nesse ponto, também sãoadicionadas portadoras de referência quesão utilizadas pelos algoritmos deestimação de canal, codificação MIMO eequalização;

d) módulos IFFT (Inverse Fast FourierTransform), P/S (Parallel to Serial) ePC (Prefixo Cíclico): responsáveis pelageração dos símbolos OFDM no tempo.Os sinais das múltiplas portadoras sãoconvertidos para o domínio do tempo paratransmissão. Por último, é adicionado umintervalo de guarda baseado na extensãocíclica do sinal no tempo (PC), com oobjetivo de evitar interferênciaintersimbólica.

Na recepção, ocorre a inversão das operaçõesrealizadas durante a transmissão. Além disso,


Figura 2 Grid de recursos de rádio para múltiploacesso

12 subportadoras = 180 kHz

14 símbolos OFDM = 1 ms

freq

tempo

Usuário 1

Usuário 2

Usuário 3


módulos adicionais são necessários paracompensar as degradações geradas pelo canalde transmissão, como, por exemplo, o módulo deequalização no domínio da frequência. Essesmódulos são tipicamente assistidos porportadoras de referência que possibilitam estimaro canal de transmissão nas portadoras OFDMAao longo do tempo.Como qualquer outro sistema baseado emOFDM, o OFDMA e o SC-FDMA tambémperdem desempenho quando há desvios defrequência nas subportadoras, geradostipicamente por instabilidades do oscilador localou por efeito Doppler (MORELLI, 2004). Essesefeitos destroem a ortogonalidade do OFDM,gerando interferências entre portadoras einterferências de múltiplo acesso. No enlace desubida, o problema é agravado porque essasinterferências ocorrem diferentemente para cadausuário, dificultando a sincronização (VAN DEBEEK et al., 1999). Não há uma soluçãopadronizada para esse problema, sendo que setrata de um campo em que as soluções decompensação das degradações do canal podemse diferenciar. Em Zhang e Ryu (2010), faz-seuma revisão das técnicas de supressão deinterferências tipicamente utilizadas e propõe-seuma solução para lidar com os múltiplos desviosde frequência de usuários no uplink.

2.2 MIMO

Ao se utilizar MIMO (PAULRAJ et al., 2004;BÖLCSKEI, 2006), ambas as cadeias detransmissão e de recepção do OFDM podem serparalelizadas em mais de uma camada,conforme mostrado na Figura 4 (transmissão) ena Figura 5 (recepção), para o caso MIMO 2x2.Com essa paralelização, uma possibilidade é

aumentar a vazão de dados por meio datransmissão simultânea de diferentes fluxos.Outra possibilidade é codificar tais fluxos deforma a se obter uma transmissão mais robusta,porém, sem aumentar a vazão de dados. OOFDM é essencial nesse processo, porque paracada subportadora o canal é plano. Isso facilita aestimação dos canais de propagação MIMO esua subsequente decodificação para osmétodos de codificação por diversidade. Outrobenefício da codificação MIMO, aplicado aoOFDM, é a possibilidade de se obter diferentesformas de codificação, como, por exemplo:espacial, que leva em conta apenas as antenas;espaço-temporal, que leva em conta as antenase os diferentes símbolos OFDM; e espaço-frequência, que leva em conta as antenas e asdiferentes portadoras. Em linhas gerais, as formas de processamentoMIMO suportadas pelo LTE podem serclassificadas em:

a) pré-codificação ou formatação de feixe(beamforming), que envolve apenasprocessamento espacial;

b) codificação por diversidade, que envolvecodificação espaço-frequência sobre umúnico fluxo de dados para se aumentar arobustez da transmissão; e

c) multiplexação espacial, que envolve atransmissão simultânea de fluxos distintosem antenas distintas, de forma a seaumentar a vazão do sistema.

Os métodos de pré-codificação e de diversidadepropiciam um aumento na robustez datransmissão, enquanto os métodos demultiplexação espacial possibilitam o aumento,de fato, da eficiência espectral da transmissão.


Figura 3 Diagrama de blocos do OFDMA e do SC-FDMA

S/P

Mapeamento para

Subportadoras

M Pontos

IFFT P/S PC DAC/

RF

Canal

N Pontos

FFT

N Pontos

IFFT

Extrai Subportadoras

de dados /Equalização

M Pontos

FFTP/SDetec S/P Remove

PCADC/RF

SC-FDMA

OFDMA

N < M

+


Entre os trabalhos sobre esquemas decodificação por diversidade, os principais são osde Alamouti (1998), Tarokh, Seshadri eCalderbank (1998) e Tarokh, Jafarkhani eCalderbank (1999). O método de codificação deAlamouti foi originalmente desenvolvido paraapenas duas antenas. Em virtude de suasimplicidade e eficiência, essa talvez seja umadas técnicas de codificação por diversidade maisdifundidas. A contribuição de Tarokh, Jafarkhanie Calderbank (1999) foi a de generalizar atécnica de Alamouti para um número arbitrário deantenas, criando o conceito de códigos de blocoespaço-tempo (Space-Time Block Code – STBC)(TAROKH; SESHADRI; CALDERBANK, 1998).Com a aplicação de MIMO em OFDM, surgiutambém a possibilidade de se derivar códigos debloco espaço-frequência (Space-FrequencyBlock Code – SFBC) de forma semelhante aoSTBC (LI et al., 2002). Em geral, para que aortogonalidade dos códigos seja mantida, o canaltem que ser invariante ao longo da palavra-código. Isso implica um canal plano nassubportadoras das palavras-código do SFBC eem um canal invariante no tempo ao longo dossímbolos das palavras-código do STBC. Éimportante destacar que o LTE emprega o

esquema de codificação SFBC para possibilitarmaior robustez em cenários com alta mobilidade.Por não envolverem um esquema de codificaçãoprévia, transmissões simultâneas pormultiplexação espacial sofrem com problemas deinterferência entre os sinais multiplexados(KETONEN; JUNTTI; CAVALLARO, 2010).Esses problemas podem ser minimizados se, emvez da detecção conjunta dos sinais, for utilizadauma arquitetura de recepção em que os sinaissejam detectados de forma sequencial,iniciando-se pelo mais forte. Os trabalhos deFoschini (1996), Wolniansky e outros. (1998) eFoschini e Gans (1998) são pioneiros nessa áreaem decorrência da utilização da arquiteturaV-BLAST. O princípio do V-BLAST consisteprimeiramente na detecção e regeneração dosinal mais forte. O sinal regenerado é entãosubtraído do sinal recebido, gerando-se um novosinal que será utilizado para a detecção dosegundo sinal mais forte. O processo é repetidoaté que todos os sinais transmitidos sejamdetectados.Outra linha de trabalho combina as abordagensde diversidade e de multiplexação espacialseguindo a lógica de que cada fluxo detransmissão tenha um esquema de codificação


Figura 4 Esquema de transmissão OFDMA para MIMO 2x2

DemapM

PontosFFTP/

SDetec S/P Remove

PCADC/RF

MIM

O

Equa

lizaç

ão

DemapM

PontosFFT S/

P RemovePC

ADC/RFP/

SDetec

Figura 5 Esquema de recepção OFDMA para MIMO 2x2

S/P

Mapeamento para

Subportadoras

M Pontos

IFFT P/S PC DAC/

RF

Cod

ifica

ção

MIM

O

S/P

Mapeamento para

Subportadoras

M Pontos

IFFT P/S PC DAC/

RF


por diversidade para protegê-lo (LEI;HARADA, 2006). Nesse caso, em vez de umaantena, cada fluxo possui um grupo de antenasde transmissão. Os sinais são então detectadositerativamente, por cancelamento de interferênciaa partir do grupo mais forte. Uma vez detectadosos grupos de sinal, pode-se aplicar adecodificação por diversidade. Há, ainda,trabalhos na linha do TURBO-BLAST(SELLATHURAI; HAYKIN, 2002), que utilizamesquemas de decodificação de canal no loop decancelamento de interferência para melhorar odesempenho da separação dos sinais(KETONEN; JUNTTI; CAVALLARO, 2010).Embora não haja multiplexação espacial, nemmesmo codificação MIMO por diversidade noenlace de subida, o SC-FDMA pode serpotencializado a partir de técnicas de MIMOmultiusuário (MU-MIMO) (SPENCER et al.,2004), que permitem o agendamento de mais deum usuário para o mesmo recursotempo-frequência. Essa técnica pode ser vistacomo uma técnica de múltiplo acesso por divisãoespacial, em que antenas adaptativas na eNodeBsão capazes de rastrear os usuários na célula.3

2.3 Sincronização

Os procedimentos de sincronização sãorealizados a partir da definição de uma estruturade identificação com dois tipos de sinal: um

primário (PS) e um secundário (SS) (3GPP,2009a; KIM; HAN; CHUNG, 2010). Conforme aFigura 6, cada célula pode ser identificada apartir de 504 identificadores, obtidos dacombinação de 168 sinais secundários e 3 sinaisprimários. A partir da detecção dos sinaisprimários e secundários, é possível não apenasrealizar as sincronizações de tempo de símbolo ede frequência da portadora, mas também provera identificação física da célula, o comprimento doprefixo cíclico e o modo de duplexação FDD ouTDD utilizado na célula. A sincronização inicialpor meio da detecção do sinal primáriopossibilita, ainda, decodificar o canal físico debroadcast (Physical Broadcast Channel – PBCH).Esse canal transmite o MIB (Master InformationBlock), que contém informações essenciais parao acesso inicial da célula, como, por exemplo,largura de banda do downlink, configuração docanal do indicador do HARQ (Physical HARQIndicator Channel – PHICH) e número sistêmicodo quadro atual.Os três sinais primários são gerados a partir desequências de Zadoff-Chu de comprimento 63 eM = 25, 29 e 34, conforme a equação:

PS M63 n=exp− j M n n1

63

para n = 0, 1, 2, ..., 62.

_________________________________________________

3 Para saber mais, há trabalhos, como o de Prasad, Wang e Wang (2009), que propõem algoritmos mais eficientes no receptorpara lidar com MU-MIMO com o uso de pré-filtros e demodulação soft.


Figura 6 Estrutura de sinal para identificação de células

Figura 7 Localização dos sinais primários (PS) e secundários (SS) na estrutura de quadro do LTE, conside-rando-se prefixo cíclico de tamanho normal

PS1 PS2 PS3

SS1

PS1 PS2 PS3

SS2

……

PS1 PS2 PS3

SS168

Identificador de Célula:

Identificador de Grupo:

Cell ID:(SSm, PSn)

504 IDs

1 frame = 10ms

1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7

1 slot = 0,5 ms

1 subframe = 1 ms

SS

PS


Essas sequências apresentam uma propriedademuito interessante: a função de autocorrelaçãorkk(δ) é exatamente zero para δ ≠ 0, o que nãoocorre com as sequênciaspseudoaleatórias (PN). A posição do PS naestrutura de quadro do LTE é mostrada naFigura 7. Na frequência, conforme Figura 8, o PSé transmitido nos 6 blocos de recursos (ResourceBlock – RB) centrais, de modo que essemapeamento na frequência seja sempre omesmo, independentemente da largura de bandautilizada, que pode variar de 6 RBs (1,08 MHz)até 110 RBs (19,8 MHz). O PBCH é transmitidoda mesma forma, utilizando-se 6 RBs centrais,porém, 4 slots em vez de 1 e com menor

Bloco de Transporte

CRC

Segmentação

Cod. Turbo

RM + HARQ

Scrambling

Modulação

Mapeamento para Antenas


OFDMA

Bloco de Transporte

CRC

Segmentação

Cod. Turbo

RM + HARQ

Scrambling

Modulação


OFDMA

… … … … … …

… … … … … … … … …

Até quatro antenas

Figura 9 Cadeias de processamento de blocos detransporte para o enlace de descida

periodicidade de atualização (40 ms).

Cada sequência secundária é gerada pelaintercalação de duas sequências de comprimento31, moduladas em BPSK (Binary Phase ShiftKeying). Essas duas sequências, SSC1 e SSC2,são versões deslocadas de uma sequênciabásica de comprimento 31, e o deslocamento decada sequência é uma função do índice dogrupo. Cada sequência é então aleatorizada apartir de um código de scrambling, que dependedo índice do PS e do índice do grupo. Há aindauma alternância entre essas sequências SSC1 eSSC2 no quadro do LTE. Essa alternância érealizada para que os instantes de quadro doLTE possam ser identificados por meio de uma

Bloco de Transporte

CRC

Segmentação

Cod. Turbo

RM + HARQ

Scrambling

Modulação


SC-FDMA

… … …

Figura 10 Cadeia de processamento de blocos detransporte para o enlace de subida

_______________________________________4 Foi considerado o prefixo cíclico de tamanho normal e cada divisão do grid equivale a um conjunto de 6x2 blocos de recursos(RBs) de rádio.


SS

PS

1 frame = 10msfreq

tempo1.08 MHz

= 6 RB

1 subframe = 1ms = 2 RB

……

Figura 8 Localização dos sinais de sincronismo SS e PS no grid tempo x frequência4


simples observação das sequências secundárias.O posicionamento das sequências secundáriasno tempo e na frequência é semelhante aoposicionamento das primárias, conformeFiguras 7 e 8.

2.4 Codificação de canal

No enlace de descida, mostrado na Figura 9,pode haver até duas cadeias de processamentopara se realizar a codificação de canal dosblocos de transporte provenientes da camadaMAC (L2). Cada bloco de transporte é mapeadopara um bloco de recurso de rádio em umsubquadro, que é transmitido a cada 1TTI (1 ms). O tamanho do bloco de transportedepende da configuração do enlace que, por seradaptativo, irá definir a relação de compromissoentre robustez e vazão. No caso de transmissõescom apenas uma antena, haverá um único blocode transporte de tamanho variável para cadaquadro do LTE. No entanto, no caso detransmissões com múltiplas antenas, a segundacadeia é utilizada apenas quando hámultiplexação espacial. Além disso, mesmo quese empreguem quatro antenas na multiplexação,apenas duas cadeias de processamento serãoutilizadas. Isso não implica limitação de vazão,uma vez que o tamanho do bloco de transporte évariável. No enlace de subida, entretanto, não seutiliza multiplexação espacial ou mesmotransmissão por diversidade. Por esse motivo, háapenas uma cadeia de processamento combloco de transporte de tamanho variável,conforme Figura 10. O primeiro passo na cadeia de processamentode canal é a inserção de um código de 24 bitsem cada bloco de transporte, para detecção deerros por meio de verificação de redundânciacíclica (Cyclic Redundancy Check – CRC). Essainformação é utilizada pelo algoritmo de HARQ

que pode requisitar a retransmissão do bloco detransporte, caso seja detectado algum erro narecepção. O passo seguinte consiste em segmentar o blocode transporte em blocos menores que casemcom os tamanhos predefinidos de blocossuportados pelo interleaver do codificador turbo.Nesse processo, pode ser necessário inserir bitsde preenchimento para se alcançar os tamanhosde blocos predefinidos. Além disso, também énecessário adicionar um CRC por bloco decódigo. Esse recurso é utilizado para se detectarcom antecedência a existência de erros no blocode transporte, reduzindo-se, assim, o esforçocomputacional e o consumo de potência doreceptor. É importante destacar que asegmentação não é um modo de operação típico,e é realizada apenas quando o bloco detransporte supera o tamanho máximo do blocode código suportado pelo interleaver, que é de6.144 bits.No LTE, a codificação de canal dos blocos detransporte é realizada apenas por codificaçãoturbo de taxa 1/3 (3GPP, 2009b). A estrutura docodificador turbo empregada no LTE é mostradana Figura 11. Essa estrutura utiliza os mesmosdois codificadores convolucionais de taxa 1/2 e8 estados, que constituíam o codificador turbo doWCDMA e do HSPA. Porém, o entrelaçadorutilizado no WCDMA e HSPA foi substituído noLTE pelo entrelaçador QPP (QuadraturePermutation Polynomial). A função demapeamento do entrelaçador QPP é dada por:

c i = f 1i f 2i2 mod K

onde i é o índice do bit na saída do entrelaçador,c(i) é o índice do mesmo bit na entrada e K é otamanho do bloco de codificação. O padrão queespecifica o LTE define uma lista de tamanhosde blocos de código, que variam de 40 a


D D D

D D D

Entrelaçador QPP

do Turbo

Bloco de Código

Convolucional 1

Convolucional 2

Bits Sistemáticos

Bits de Paridade P1

Bits de Paridade P2

Figura 11 Codificador turbo


6.144 bits, e de valores dos parâmetros f1 e f2.A etapa seguinte ao processo de codificaçãoturbo consiste em ajustar a taxa de codificação.Trata-se de um processo de puncionamentorealizado pelo rate matching (casador de taxa). Afunção principal do rate matching é possibilitar odescarte automático dos bits de paridade, deforma que se obtenha a quantidade de bits exatapara se preencher um bloco de recurso de rádioem um TTI. Esse processo pode ser controlado apartir de um buffer circular (CHENG et al., 2008).Conforme Figura 12, as saídas Bits Sistemáticos,Bits de Paridade P1 e Bits de Paridade P2 são,em um primeiro momento, entrelaçadasseparadamente. Em seguida, os bits são escritosem um buffer circular a partir dos bitssistemáticos, seguidos pelos bits de paridade P1e P2 de forma alternada. A leitura do buffer é,então, realizada de acordo com a versão deredundância RV até que se preencha o recursode rádio. Supondo-se, por exemplo, que parapreencher um bloco de recurso de rádio sejanecessária uma codificação turbo de taxa 2/3, esabendo-se que a codificação turbo é de taxa 1/3a , será necessária a leitura de apenas 50% dosbits escritos do buffer para se obter a taxa decodificação desejada de 2/3.O buffer circular possibilita, ainda,retransmissões com versões de redundânciadiferentes (RV0, RV1, RV2 e RV3). As versõesde redundância se diferem simplesmente peloponto de leitura inicial do buffer. Essa estratégiapossibilita o suporte das funcionalidades deretransmissão requeridas pelo HARQ. Se, porexemplo, for utilizado o esquema HARQ dechase combining (CC), a retransmissão será feitacom a mesma versão de redundância RV0 datransmissão original. Nesse caso, os blocos sãocombinados no receptor utilizando oMRC (Maximal Ratio Combining),aumentando-se a relação sinal-ruído do sinal aser decodificado. Por outro lado, se for utilizado oesquema HARQ de redundância incremental(IR), as retransmissões serão feitas com versõesde redundância diferentes. Essa estratégia

permite que novos bits de paridade possam seradicionados ao bloco a ser decodificado peloreceptor. O resultado é um bloco de bits comtaxa de codificação menor que a do bloco originale, por conseguinte, com maior capacidade decorreção de erros.É importante destacar que embora o ratematching do HARQ possa ser utilizado comambos os esquemas CC e IR, o LTE empregaapenas o esquema IR. O último bloco de processamento da cadeia decodificação de canal é um scrambler(aleatorizador) (3GPP, 2009b), que é aplicadoem cada bloco de bits gerado pelo processo detransmissão/retransmissão HARQ. Esseprocessamento consiste em aleatorizar o blocode bits de entrada pela multiplicação (ouexclusivo) bit a bit entre esse bloco de bits e umasequência de scrambling. Células vizinhasutilizam sequências de aleatorização distintas,possibilitando que o receptor garanta o ganho deprocessamento da codificação de canal,minimizando a interferência de sinaisprovenientes de células adjacentes.

3 Camadas L2 e L3

3.1 Enlace adaptativo

A evolução das redes de terceira geração do3GPP culminou no LTE com rede de tráfegointeiramente por pacotes. Em versões anterioresdo sistema, baseadas na tecnologia WCDMA,era necessário um controle rápido de potênciaem malha fechada com taxa de atualizaçãoaproximadamente constante para se suportarserviços de comutação por circuito. No entanto,na interface aérea do LTE, a otimização dotráfego para pacotes reflete a capacidade decanal de cada usuário. O processo de otimizaçãoajusta dinamicamente os esquemas demodulação e de codificação de canal, de forma ase obter a maior taxa de bit possível para cadausuário, de acordo com as condições preditas decanal. A Figura 13 ilustra esse processo. O indicador de qualidade de canal (CQI) é uma


Figura 12 Rate matching (RM) para ajustar a taxa de codificação e gerar retransmissão, de acordo com atécnica de combinação do HARQ

EntrelaçadorSub-Bloco

Escreve no

Buffer



s1 s2 … sK

p1(1) p2

(1) … pK(1)

p1(2) p2

(2) … pK(2)

Leitura do

Buffer

s1s2

…

sK

p2(1)

…

pK(2)

p1(1)

p1(2)

pK(1)

…

RV0

RV1

RV2

RV3

RVi

Bits Sistemáticos

Bits Paridade P1

Bits Paridade P2

Saída


entrada importante e é informado pelo UE noenlace de subida. O CQI é um indicador de taxade dados que pode ser suportado pelo canal,levando-se em conta a relação do nível de sinalpor interferência mais ruído (SINR) e ascaracterísticas do receptor do UE. A partir desinais de referência do downlink, o UE podeestimar o canal e informar os parâmetros demodulação e de codificação mais altos quepodem ser decodificados com probabilidade deerro inferior a 10%. Na adaptação do enlace desubida, não é necessário informar a eNodeBsobre a condição de canal, uma vez que épossível estimá-la diretamente através de sinaisde referência do uplink.O trabalho de Kolehmainen e outros (2008)apresentou um estudo sobre o compromissoentre o overhead na transmissão do CQI e oganho de desempenho do sistema por havermais informações sobre o canal obtidas a partirdos domínios do tempo e da frequência. Deacordo com os autores, o emprego conjunto deenlace adaptativo e scheduling FDPS (FrequencyDomain Packet Scheduling) pode prover ganhosde vazão e de cobertura no downlink da ordemde 40%, sob o custo de se aumentar a taxa desinalização no uplink. O trabalho de Kolehmaineninvestiga a melhor relação de compromisso entreo desempenho do downlink e a sinalização nouplink. Foram utilizados os seguintes esquemasde informação do CQI, empregando enlaceadaptativo e FDPS:

a) Full Feedback CQI, que relata o CQI paratodos os blocos de recursos (RBs);

b) Wideband CQI, que relata o CQI médiodos RBs;

c) Best-M Individual, que relata os M valoresindividuais de CQI mais altos (3GPP,2007);

d) Best-M Average, que relata os M maioresvalores em média (3GPP, 2007);

e) Threshold Based CQI (3GPP, 2007;KOLDING; FREDRIKSEN; POKHARIYAL,

2006);f) Discrete Cosine Transform Based CQI

(3GPP, 2006).Não foram considerados esquemas descheduling e de enlace adaptativo para cenárioscom MIMO. Estudos semelhantes também foramconduzidos em Svedman e outros (2004),Kolding, Fredriksen e Pokhariyal (2006), e Sun eoutros (2006) para sistemas OFDMA, em geral.No estudo realizado por Kolehmainen e outros(2008), concluiu-se que medidas de CQItomadas a cada 2 ms e com resolução de 2 RBssão suficientes para capturar os comportamentosde seletividade, na frequência, e de variação, notempo. Além disso, entre as técnicas testadas, oBest-M Average e o Threshold Based CQIapresentaram a melhor relação de desempenho(vazão e cobertura) por taxa de sinalização nouplink. A especificação do LTE define a sinalizaçãodisponível entre a eNodeB e o UE para aadaptação do enlace (modulação e codificaçãode canal) pela eNodeB. Os métodos deotimização não são padronizados, o que provêgrande flexibilidade na forma de se explorar ainformação disponível para se realizar aadaptação do enlace. É importante destacar,porém, que a escolha dos parâmetros demodulação e de taxa de codificação não dependeapenas das condições do canal. Essa escolhadepende, também, de uma série de outrosfatores, que inclui a qualidade de serviçorequerida e a vazão da célula. Ademais, osmétodos de adaptação de enlace devem operarem conjunto com os métodos de scheduling,para que os blocos de recurso de rádio possamser compartilhados eficientemente entre osusuários à medida que a capacidade de canalindividual varie.

3.2 Scheduling

Em linhas gerais, a principal tarefa do schedulingno OFDMA é alocar pares de blocos de recursos


Figura 13 Realimentação de informações para enlace adaptativo (CQI) e HARQ (ACK/NACK)

OFDMA DAC/RF

Canal

OFDMA DAC/RF

Modulação

Demodulação

CodificadorTurbo

Decodificador Turbo

CodificadorCRC

CheckCRC

Estima Canal

Adaptaçãodo Enlace

Dados

Dados

PUCCH: ACK/NACK

CQI


de rádio (1 ms e 12 subportadoras)inteligentemente para diferentes usuários, demodo a alcançar a maior vazão possível nacélula (LUO et al., 2010). É importante lembrarque pares de blocos de recurso no LTE são amenor unidade de recurso de rádio alocável deum grid símbolo-subportadora(tempo-frequência), e correspondem a12 subportadoras para cada 14 símbolosOFDMA (1 ms), conforme Figura 2. Esses blocospodem ser independentemente modulados porfluxos de mais baixa taxa de bits provenientes dediferentes usuários. Entre os algoritmos de scheduling, os maisconhecidos são: o Maximum Carrier-to-Interference (C/I), o Round-Robin e oProportional Fairness (PF). O Maximum C/Ibasicamente classifica os usuários de acordocom a relação instantânea de C/I, provendo maisrecursos de rádio para aqueles que possuemmelhor qualidade instantânea de canal. Essealgoritmo possibilita, dessa forma, maximizar avazão total, mas limita a capacidade de usuáriosno sistema. O Round-Robin torna o scheduling mais justo, nosentido que será atendido o usuário que estiveresperando há mais tempo. Porém, essa técnicanão leva em conta a qualidade do canal e, devidoao enlace adaptativo do sistema, pode-se levarmuito tempo para atender um usuário comindicador ruim de canal, podendo degradarsignificativamente a vazão total de dados. O Proportional Fairness (KIM; HAN, 2005),scheduling mais comumente utilizado(JUNGNICKEL et al., 2009), procura atender àrelação de compromisso entre maximizar avazão de dados do sistema e permitir um nívelmínimo de serviço para todos os usuários. Issogeralmente é realizado por meio da adição dealguma forma de priorização inversamenteproporcional à quantidade de recursos de rádioestimada para um dado usuário. Entretanto, oproblema do Proportional Fairness está em nãogarantir uma latência fixa para os usuários, o quelimita as aplicações baseadas em serviçosmultimídia de tempo real. Quando o problema égarantir uma latência fixa, pode ser maisinteressante utilizar alguma técnica que explore aequidade instantânea (Instantaneous Fairness),em vez da proporcional.Melhorias no scheduling também têm sidopropostas para o LTE. Em Luo e outros (2010),tendo por base os resultados de alocação derecursos de rádio e a qualidade instantânea decanal (CQI), é proposta uma otimização ao longode várias camadas (cross-layer). Esse esquemapossibilita determinar dinamicamente osparâmetros de modulação, de codificação e docodec, de forma a maximizar a taxa de bit dosusuários e melhorar perceptivelmente aqualidade para aplicações de vídeo. Kwan, Leunge Zhang (2008) propõem maximizar de forma

conjunta as taxas de bits de todos os usuários, apartir de uma solução subótima obtida doparticionamento do modelo de otimização emmodelos single-user menores e paralelos. Em Xue outros (2006), a proposta de scheduling ébaseada em uma otimização por gradiente, comrestrições de taxas de bit mínima e máximasobre o canal de dados compartilhados dodownlink (Shared Data Channel – SDCH). EmBonald (2004) e Lei e outros (2007), sãopropostas formas de priorização que exploram aequidade instantânea e tornam o desempenho doscheduler semelhante ao do PF para cenáriosideais, sem os problemas de perda dedesempenho que existem no PF para cenárioscom desvanecimento muito rápido. EmJungnickel e outros (2009), o scheduling utilizarealimentações do terminal de usuário parapossibilitar a caracterização do canal MIMO,mesmo que de forma superficial. Nesse caso, oCQI é utilizado para que a estação-radiobasepossa selecionar o melhor modo de transmissãoe, ao mesmo tempo, prover equidadeinstantânea. De forma semelhante, o trabalho emWei e outros (2008) utiliza a informação deseletividade em frequência baseada no CQI pararealizar o scheduling no domínio do tempo, dafrequência e do espaço.

3.3 HARQ

O HARQ é uma combinação de correção deerros de canal (Forward Error Correction – FEC)e solicitação automática de repetição (AutomaticRepeat Request – ARQ) baseada em códigoCRC de detecção de erros (DAHLMAN, et al.,2008). Conforme Figura 13, após a transmissãode um bloco de transporte, o UE decodifica essebloco, verifica o CRC e informa a eNodeB pormeio de uma mensagem ACK(acknowledgement) ou NACK (negativeacknowledgement). Essa mensagem étransmitida no canal físico de controle do uplink(PUCCH). No caso de um acknowledgementnegativo (NACK), a eNodeB retransmite o bloco.O receptor (UE) combina, então, a retransmissãocom a transmissão original para executarnovamente o decodificador turbo. No LTE, esseprocesso é executado de forma que o ratematching (RM) pare de transmitir até receberuma mensagem ACK do UE. Essa é a formamais simples de se realizar o HARQ, mas exigeque mais de um processo HARQ-RM sejaexecutado em paralelo, para possibilitar o fluxocontínuo de dados. Enquanto um processoHARQ-RM espera pelo ACK, outro processopode ser disparado pela eNodeB para transmitirdados pelo canal. No LTE, o número máximo deprocessos simultâneos por usuário é limitado emoito, tanto para o uplink quanto para o downlink. Há dois tipos de HARQ (DAHLMAN, et al., 2008),CC e IR, que se diferenciam pela forma como o



bloco de transporte é retransmitido e combinadono receptor. Ambos os métodos podem serconsiderados soft combining, porque o blocooriginal não é descartado e, sim, combinado como bloco retransmitido. Entre os dois métodos derecombinação, o LTE emprega apenas o IR. Ométodo CC retransmite o bloco com a mesmaconfiguração do bloco original, ou seja, com osmesmos dados (bits sistemáticos) e com osmesmos bits de paridade. No receptor, acombinação com o bloco original é então feitapor MRC. Esse é um método de combinação pordiversidade que melhora a relação sinal-ruído dopacote a ser decodificado cada vez que umanova retransmissão é realizada. No método deredundância incremental (IR), são transmitidosbits de paridade adicionais a partir da seleçãoapropriada da versão de redundância do ratematching. No receptor, os bits de paridade sãocombinados e o bloco resultante passa a ter umataxa de codificação mais baixa, tornando-se maisrobusto para decodificação de canal. Dessaforma, a cada transmissão adicional, mais bits deparidade são adicionados ao receptor para omesmo bloco de dados, tornando a taxa decodificação cada vez menor.

3.4 Controle de potência

O controle de potência tem o objetivo demelhorar a capacidade do sistema, a cobertura eo nível de sinal (maior taxa de dados e melhorqualidade de voz), além de reduzir o consumo depotência (DAHLMAN, et al., 2008).Para alcançar esses objetivos, o mecanismo decontrole de potência normalmente tentamaximizar a potência dos sinais recebidos peloUE, gerando o mínimo de interferência possívelnas células adjacentes. Geralmente, quanto maispróximo um UE estiver da borda de uma célulavizinha, maior será a interferência.Conforme a necessidade de se compensar asvariações do canal, podem existir dois esquemasde controle de potência: slow e fast. Há, ainda,outros esquemas relacionados ao conteúdo dasinformações que são enviadas ao UE paraconfigurar sua potência:

a) Open Loop Power Control: a potência doUE é configurada com base apenas nasinformações provenientes da eNodeB.Nenhum tipo de informação referente àpotência é enviada à eNodeB pelo UE;

b) Close Loop Power Control: a potência écontrolada através das informações daeNodeB, assim como no open loop,porém, neste esquema, o UE realimenta aeNodeB com informações referentes àpotência.

Além dos esquemas apresentados, existe, ainda,a possibilidade de obtenção de esquemashíbridos através da combinação entre eles.Como exemplo, pode-se citar o Fast Close Loop

Power Control, que gera um certo overhead nosistema, mas permite compensar asinterferências e as condições do canal com maisprecisão. O oposto desse exemplo é o SlowOpen Loop Power Control, que não exige muitabanda do sistema, pois evita o overhead deinformação da eNodeB. Esse método é simples,porém, não é apropriado para compensarvariações rápidas de canal que possam serocasionadas pela alta mobilidade do usuário.

Conclusão

Este artigo apresentou as principais tecnologiasda interface de rádio do LTE, consideradasestado da arte em comunicações digitais. Oemprego de tecnologias como, por exemplo,OFDMA, MIMO, codificação turbo, HARQ,modulação adaptativa, entre outras, possibilitaque o LTE alcance taxas de 300 Mbit/s em umabanda de 20 MHz. A importância de taistecnologias se reflete na sua utilização naespecificação de sistemas de quarta geração,como o LTE Advanced. Em tais sistemas,pode-se alcançar taxas de bits superiores a1 Gbit/s, o que representa um aumento daeficiência espectral da ordem de 1,4 vezes,quando comparado ao LTE. Essas tecnologiassão extremamente flexíveis e possibilitam que osistema de comunicação se autoajuste àcapacidade de canal do usuário, provendomobilidade e alto desempenho para velocidadesde até 120 km/h, sem perda de conexão. O graude sofisticação do sistema possibilita, ainda, quehaja balanceamento da carga de forma a obter amaior vazão de dados possível por usuário,considerando-se a qualidade de serviçocontratada e os mecanismos de priorização.

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio dado a estetrabalho, desenvolvido no âmbito do projeto“Redes de Acesso Sem Fio Avançadas” quecontou com recursos do Fundo para oDesenvolvimento Tecnológico dasTelecomunicações – FUNTTEL, do Ministériodas Comunicações, através do Convênio nº01.09.0631.00 com a Financiadora de Estudos eProjetos – FINEP.

Referências

3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT.3GPP TSG RAN WG1: DCT based CQI reportingscheme. Contribution R1-061777. Jun. 2006.

______. 3GPP TSG RAN WG1#49: CQI designand its impact to DL performance. ContributionR1-071682. Mar. 2007.

______. 3GPP TS 36.211: Physical Channels



and Modulation. V8.9.0. Dez. 2009a.

______. 3GPP TS 36.212: Multiplexing andChannel Coding. V8.8.0. Dez. 2009b.

______. 3GPP Long Term Evolution: Release8. 2010a.

______. 3GPP TS 36.300: Overall description –Stage 2. V8.12.0. Mar. 2010b.

ALAMOUTI, S. M. A simple transmit diversitytechnique for wireless communications, IEEEJournal on Selected Areas inCommunications, v. 16, p. 1451-1458, Oct.1998.

BERARDINELLI, G. et al. OFDMA vs. SC-FDMA:performance comparison in local area IMT-Ascenarios, IEEE Wireless Communications, v.15, n. 5, p. 64-72, 2008.

BÖLCSKEI, H. MIMO-OFDM wireless systems:basics, perspectives, and challenges, IEEEWireless Communications, v. 13, n. 4, p. 31-37,Aug. 2006.

BONALD, T. A Score-based OpportunisticScheduler for Fading Radio Channels. In: 5th

EUROPEAN WIRELESS CONFERENCE, Feb.2004. Proceedings... 2004.

CHENG, J. et al. Analysis of Circular Buffer RateMatching for LTE Turbo Code. In: IEEE 68th

VEHICULAR TECHNOLOGY CONFERENCE(VTC 2008-Fall), 68., 2008, Calgary, Alberta.Proceedings... CIOCHINA, C.; SARI, H. A Review of OFDMAand Single-Carrier FDMA. In: EUROPEANWIRELESS CONFERENCE, 2010, Lucca, Italy.Proceedings... 2010. p. 706-710.

DAHLMAN, E. et al. 3G Evolution – HSPA andLTE Mobile Broadband. Elsevier, 2nd Edition,2008.

FOSCHINI, G. J. Layered Space-TimeArchitecture for Wireless Communication in aFading Environment When Using Multi-ElementAntennas, Bell Laboratories Technical Journal,v. 1, n. 2, p. 41-59, Autumn, 1996.

FOSCHINI, G. J.; GANS, M. J. On limits ofwireless communications in a fading environmentwhen using multiple antennas, WirelessPersonal Communications, v. 6, n. 3,p. 311-335, 1988.

JUNGNICKEL, V. et al. Interference-awarescheduling in the multiuser MIMO-OFDMdownlink, IEEE Communications Magazine,v. 47, n. 6, p. 56-66, 2009.

KETONEN, J.; JUNTTI, M.; CAVALLARO, J. R.Performance-Complexity Comparison ofReceivers for a LTE MIMO-OFDM System, IEEETransactions on Signal Processing, v. 58, n. 6,

p. 3360-3372, 2010.

KIM, H.; HAN, Y. A proportional fair schedulingfor multicarrier transmission systems, IEEECommunication Letters, v. 9, n. 3, p. 210-212,2005.

KIM, I.; HAN, Y.; CHUNG, H. K. An EfficientSynchronization Signal Structure for OFDM-Based Cellular Systems, IEEE Transactions onWireless Communications, v. 9, n. 1, Jan.2010.

KOLDING, T. E.; FREDRIKSEN, F.;POKHARIYAL, A. Low-Bandwidth ChannelQuality Indication for OFDMA Frequency DomainPacket Scheduling. In: INTERNATIONALSYMPOSIUM ON WIRELESSCOMMUNICATION SYSTEMS (ISWCS’06),Sept. 2006, Valencia. Proceedings... KOLEHMAINEN, N. et al. Channel QualityIndication Reporting Schemes for UTRAN LongTerm Evolution Downlink. In: IEEE VEHICULARTECHNOLOGY CONFERENCE, 2008,Singapure. Proceedings... 2008. p. 2522-2526.

KWAN, R.; LEUNG, C.; ZHANG, J. MultiuserScheduling on the Downlink of an LTE CellularSystem, Journal Research Letters inCommunications, Jan. 2008.

LEI, L. et al. Performance of Score-BasedOpportunistic Scheduler in MIMO-OFDMSystems. In: IEEE INTERNATIONALSYMPOSIUM ON INTELLIGENT SIGNALPROCESSING AND COMMUNICATIONSYSTEMS, 2007, Xiamen, China. Proceedings...LEI, M.; HARADA, H. Performance Comparisonof Multi-Layer STBC OFDM and V-BLASTOFDM. In: IEEE 64th VEHICULARTECHNOLOGY CONFERENCE, 64., 2006,Montreal. Proceedings... p. 1-5.

LI, L. et al. A practical space-frequency blockcoded OFDM scheme for fast fading broadbandchannels. In: IEEE INTERNATIONALSYMPOSIUM ON PIMRC, 13., Lisbon, Portugal,Sept. 2002. Proceedings... 2002.

LUO, H. et al. Quality-driven cross-layeroptimized video delivery over LTE, IEEECommunications Magazine, v. 48, n. 2, p.102-109, 2010.

MCQUEEN, D. 3GPP LTE – The MomentumBehind LTE Adoption, IEEE CommunicationsMagazine. v. 47, n. 2, Feb. 2009.

MORELLI, M. Timing and frequencysynchronization for the uplink of an OFDMAsystem, IEEE Transactions onCommunications, v. 52, n. 2, p. 296-306, Feb.2004.

MYUNG, H. G.; LIM, J.; GOODMAN, D. J. Single



carrier FDMA for uplink wireless transmission,IEEE Vehicular Technology Magazine, v. 1, p.30-38, Sept. 2006.

PAULRAJ, A. J. et al. An Overview of MIMOCommunications – A Key to Gigabit Wireless,Proceedings of the IEEE, v. 92, n. 2, Feb. 2004.

PEDERSEN, K. I. et al. An Overview of DownlinkRadio Resource Management for UTRAN Long-Term Evolution, IEEE CommunicationsMagazine, p. 86-93, July 2009.

PRASAD, N.; WANG, S.; WANG, X. Efficientreceiver algorithms for DFT-spread OFDMsystems, IEEE Transactions on WirelessCommunications, v. 8, n. 6, p. 3216-3225, 2009.

SELLATHURAI, M.; HAYKIN, S. TURBO-BLASTfor wireless communications: Theory andexperiments, IEEE Transactions on SignalProcessing, v. 50, n. 10, p. 2538-2546, Oct.2002.

SKLAR, B. A Primer on Turbo Code Concepts,IEEE Communications Magazine, v. 35, n. 12,p. 94-102, Dec. 1997.

SPENCER, Q. H. et al. An Introduction to theMulti-User MIMO Downlink, IEEECommunications Magazine, v. 42, n. 10, p.60-67, Oct. 2004.

STERNAD, M. et al. Toward Systems Beyond 3GBased on Adaptive OFDMA Transmision,Proceedings of IEEE, v. 95, n. 12, Dec. 2007.

SUN, Y. et al. Multi-user Scheduling for OFDMADownlink with Limited Feedback for EvolvedUTRA. In: IEEE VEHICULAR TECHNOLOGYCONFERENCE (VTC’F06), Sept. 2006.Proceedings... p. 1878-1882.

SVEDMAN, P. et al. A Simplified OpportunisticFeedback and Scheduling Scheme for OFDMA.In: IEEE VEHICULAR TECHNOLOGYCONFERENCE (VTC’S04), May 2004, Milan,Italy. Proceedings... p. 1878-1882.

TAROKH, V.; SESHADRI, N.; CALDERBANK, A.

Space-time codes for high data rate wirelesscommunication: Performance criterion and codeconstruction, IEEE Transactions on InformationTheory, v. 44, p. 744-765, Mar. 1998.

TAROKH, V.; JAFARKHANI, H.; CALDERBANK,A. Space-time block codes from orthogonaldesigns. IEEE Transactions on InformationTheory, v. 45, n. 5, p.1456-1467, July 1999.

VAN DE BEEK, J. J. et al. A time and frequencysynchronization scheme for multiuser OFDM,IEEE Journal on Selected Areas inCommunications, v. 17, n. 11, p. 1900-1914,Nov. 1999.

WEI, N. et al. Performance of Spatial DivisionMultiplexing MIMO with Frequency DomainPacket Scheduling: From Theory to Practice,IEEE Journal on Selected Areas inCommunications, v. 26, n. 6, p. 890-900, 2008.

WOLNIANSKY, P. W. et al. V-BLAST: Anarchitecture for realizing very high data rates overthe rich-scattering wireless channel. In:INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON SIGNALS,SYSTEMS AND ELECTRONICS (ISSSE), 1998,Pisa, Italy. Proceedings... p. 295-300.

WOODARD, J. P.; HANZO, L. ComparativeStudy of Turbo Decoding Techniques: AnOverview, IEEE Transactions on VehicularTechnology, v. 49, n. 6, Nov. 2000.

XU, N. et al. A MC-GMR Scheduler for SharedData Channel in 3GPP LTE System. In: IEEEVEHICULAR TECHNOLOGY CONFERENCE(VTC'F2006), 64., Sept. 2006. Proceedings...p. 1-5.

ZHANG, X. P.; RYU, H. G. Suppression of ICIand MAI in SC-FDMA communication systemwith carrier frequency offsets, IEEETransactions on Consumer Electronics, v. 56,n. 2, p. 359-365, 2010.

ZOU, W. Y.; WU, Y. COFDM: An Overview, IEEETransactions on Broadcasting, v. 41, n. 1, Mar.1995.

Abstract

3GPP Long Term Evolution (LTE) mobile cellular technology is one of the major steps towards 4Gbroadband wireless networks, mainly due to its air interface solution. There is a lot of redundantinformation spread throughout the literature which may cause the search experience to be hard andunproductive. The objective of this article is to provide a state-of-the-art synthesis of the PHY and MACtechnologies which integrate the air interface solution, by organizing and presenting these technologies ina compact form with focus on what is considered essential to the understanding of the LTE radiotechnology. Key words: LTE. OFDMA. SC-FDMA. MIMO. Scheduling.


Rádios cognitivos: desafios e tendênciasJuliano João Bazzo*, Fabbryccio A. C. M. Cardoso, Donato Manzan Júnior, Edson José Bonon,

Ricardo Takaki, Douglas Gameiro Diniz

Este artigo faz uma revisão dos desafios e tendências dos rádios cognitivos, no âmbito do sensoriamentode espectro, incluindo questões de cooperação entre os elementos da rede, regulamentação,padronização e plataformas existentes. Serão descritas as iniciativas de pesquisa e desenvolvimentosobre o assunto, bem como os esforços de regulamentação, nos EUA e no Brasil, e de padronizaçãopelo IEEE e ETSI. Finalmente, serão revisadas algumas estratégias de sensoriamento de espectro, osdesafios da utilização de múltiplas antenas e as plataformas de desenvolvimento para rádios cognitivos.

Palavras-chave: Rádios cognitivos. Rádio definido por software. IEEE 802.22. Sensoriamentocooperativo.

Introdução

Os sistemas de comunicação sem fio atuaisempregam intensivamente técnicas cada vezmais avançadas de transmissão digital(AHONEN; KASPER; MELKKO, 2004). Exemplospodem ser citados e incluem desde astecnologias celulares LTE (Long Term Evolution),HSPA (High Speed Packet Access), WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access), GSM(Global System for Mobile Communications) eCDMA2000, passando pelas redes locais emetropolitanas sem fio Wi-Fi (Wireless Fidelity)802.11g e WiMAX (Worldwide Interoperability forMicrowave Access) 802.16e, até a televisãoDVB-T (Digital Video Broadcasting – Terrestrial),ISDB-T (Integrated Services Digital Broadcasting– Terrestrial), ATSC (Advanced TelevisionSystems Committee) e a radiodifusão de áudioDAB (Digital Audio Broadcasting) e IBOC(In-Band On-Channel).Em um sistema de comunicação digital, o núcleode processamento dos transceptores édesenvolvido em dispositivos digitais e envolvefuncionalidades de banda base digital, tais como:modulação, multiplexação e codificação. Se odispositivo digital for programável, como no casodos processadores digitais de sinais (DigitalSignal Processors – DSPs), FPGAs(Field-Programmable Gate Arrays) ou umprocessador de propósito geral, então o sistemade comunicação é de fato definido pelo softwareque é carregado no dispositivo.O rádio definido por software (RDS) segue essalinha e estende esse conceito para possibilitarque um mesmo hardware possa ser reutilizadona implementação, por software, de diferentessistemas de comunicação. Portanto, o RDS podeser considerado uma plataforma de comunicaçãoque suporta uma grande variedade de sistemasem diferentes faixas de operação. A Figura 1mostra a arquitetura do RDS ideal e real. Noprimeiro caso, a antena está mais próxima dosconversores AD (Analógico para Digital) e DA

(Digital para Analógico), o que aumenta o custodessa abordagem, uma vez que é necessárioque os conversores operem com uma taxa deamostragem muito elevada, diretamente emradiofrequência (RF). A vantagem da arquiteturaideal é sua flexibilidade, por não ser necessário ouso do circuito de transposição utilizado no RDSreal, o que impõe limitações técnicas da faixa deRF para uma frequência intermediária (IF) nabanda base (BB) (MOY; RAULET, 2010).

Fonte: MOY; RAULET, 2010.

Figura 1 (a) Arquitetura de rádio definido porsoftware ideal; (b) arquitetura de rádio definido

por software real Com o aumento da capacidade deprocessamento dos dispositivos digitais, tambémé natural cogitar que qualquer softwareexecutado pelas plataformas de RDS passe aagregar novas e mais complexas



Compo-nentes de Processa-

mento Digital de

Sinal

Conver-sor A/D

Conver-sor A/D

LNA / Filtro

Ampl. Potência / Filtro Antena

AntenaRF

RF

Compo-nentes de Processa-

mento Digital de

Sinal

Conv. A/D

Conv. A/D

LNA / Filtro

Ampl. Pot. / Filtro

RF

RFIF

BB

IF

BB

(a)

(b)

Rádios cognitivos: desafios e tendências

funcionalidades. Uma dessas funcionalidades é acognição, originalmente proposta por Mitola eMaguire (1999) como uma forma de tornar osistema de comunicação mais ajustado àsnecessidades pessoais do usuário. Por exemplo,supondo que o software percebesse um cenáriode visada direta e com propagação favorável, elepoderia desligar parte das funcionalidadesrelativas à compensação das degradaçõescausadas pelo ambiente de propagação. Issopossibilitaria economizar bateria. Observe que,para executar tal funcionalidade, o RDS teria quereconhecer o ambiente de propagação, avaliar etomar decisões de forma automática.Para que os rádios possam decidir e avaliar, énecessário construir uma base de conhecimentoestruturada para que as máquinas possaminterpretar, executar, reutilizar e eventualmenteestender seus conhecimentos. Para isso,torna-se necessária a criação de uma semânticapara definir os processos do rádio cognitivo (RC).A construção desta semântica é um dos grandestópicos de pesquisa de rádios cognitivos naatualidade (MANGOLD; MONNEY, 2005).Uma das aplicações mais promissoras do rádiocognitivo é o sensoriamento de espectro, em queo rádio busca as faixas de frequência maisapropriadas para operação. Segundo Mangold eMonney (2005), o rádio cognitivo deve ser capazde detectar os sinais dos transmissores primáriose estabelecer uma relação entre sua potência detransmissão e o espaço-temporal disponível paraa ocupação do canal sem causar interferêncianos receptores primários.Essa aplicação de sensoriamento pode ser umasolução para se fazer um uso mais efetivo doespectro licenciado de TV, que é bastantesubutilizado. Uma aplicação de rádio cognitivopoderia varrer as faixas de frequência paraidentificar aquelas que não estejam sendoutilizadas no momento. Essas faixas poderiam,então, ser utilizadas para operação do rádiocognitivo como serviço secundário. O rádio teria,ainda, que ser capaz de mudar de faixa sempreque percebesse a entrada de um serviço primárioem sua faixa de operação. Considerando-se apenas o uso oportunista doespectro de TV, vários desafios ainda precisamser superados. O primeiro desses desafiosenvolve o aspecto regulatório. Para se operarcomo serviço secundário em faixas licenciadas, énecessário que sejam estabelecidas as regras deoperação pela agência reguladora do país. Háum forte movimento global nesse sentido(CORDEIRO et al., 2006; MANGOLD; MONNEY,2005). Outro aspecto importante é apadronização de técnicas e sistemas parafacilitar a interoperabilidade e reduzir custos deprodução. Este artigo apresenta o estadoregulatório atual e os principais padrões queestão sendo definidos no mundo. Discute asprincipais tecnologias utilizadas nos rádios

cognitivos e aponta as respectivas tendências deevolução. Além disso, também são analisadas asplataformas de RDS que podem viabilizar asaplicações de rádio cognitivo, especialmente asde sensoriamento de espectro.

1 Regulamentação e padronização

Nas seguintes seções, serão descritos osmovimentos regulatórios no Brasil e nos EstadosUnidos, país onde o assunto está sendo maistratado, e as iniciativas de padronização do IEEEe também do ETSI (Instituto Europeu dePadronização em Telecomunicações).

1.1 Regulamentação

A regulamentação do acesso compartilhado doespectro entre usuários licenciados eoportunistas ainda não foi realizada pela Anatelno Brasil. No entanto, na agenda da 12a plenária(ANATEL, 2010), realizada no mês de setembrode 2010, já constavam discussões sobresistemas de rádio cognitivo, mostrando que aagência já iniciou as discussões sobre o assuntocom a sociedade.As discussões estão em um estágio maisavançado nos Estados Unidos, sendo que oórgão de regulamentação das comunicações, oFCC (Federal Communications Commission), jápublicou um memorando, em 2008, com asregras de utilização do espectro compartilhado(FCC, 2008). Em resumo, algumas regrasimportantes são:

a) equipamentos que não estejamoperando no modo cliente, como umaestação-radiobase, por exemplo, devemincluir a capacidade de geolocalização eter acesso a uma base de dados,administrada por uma outra entidade,que contenha os canais que podem serutilizados por usuários não licenciadosem uma dada região;

b) a banda de operação é entre os canais2 e 51 (exceto canais 3, 4 e 37) ou entre54 e 698 MHz;

c) equipamentos fixos podem operar compotência máxima de 4 watts EIRP(Effective Isotropic Radiated Power);

d) equipamentos pessoais portáteis podemoperar com até 100 miliwatts depotência, exceto em canais adjacentes,que devem ser limitados até 40 miliwatts.

No memorando de 2008 (FCC, 2008), uma regraditava que os equipamentos não licenciadosdeveriam evitar a interferência em microfonessem fio e estações de TV licenciadas. Em 2010,a FCC emitiu um novo memorando (FCC, 2010)anulando a regra, principalmente motivada porempresas como Google, Dell e Microsoft, quealegaram que o custo de desenvolvimento dedetectores com alta sensibilidade (e sua posterior



inclusão nos equipamentos dos usuários) seriamuito alto (SIMONITE, 2010). Quanto aosmicrofones, alguns canais poderão ser alocadosexclusivamente ou obrigados a utilizar faixas nãolicenciadas.Nos Estados Unidos, para os equipamentoscognitivos, a FCC autorizou a utilização deinformações de uma base de dados com a listade canais em uso por região, incluindo o sinal deTV analógica e digital e microfones sem fio. Essabase de dados ainda não existe, mas a indústriajá começou a trabalhar nela.Este memorando da FCC está em vigor desdenovembro de 2008 (FCC, 2008).

1.2 O padrão IEEE 802.22

O IEEE 802.22 (IEEE P802.22, 2010) é umpadrão para Redes Sem Fio para ÁreasRegionais (Wireless Regional Area Network –WRAN), principalmente para áreas de baixadensidade populacional e tipicamente rurais, queutilizam o espectro sem uso na faixa licenciadade TV, VHF e UHF entre 54 e 862 MHz. Os CPE(Customer-Premises Equipment) certificados deacordo com o padrão poderão operar na bandade TV sem que causem interferência nos canaisde TV licenciados e microfones sem fio(AHONEN; KASPER; MELKKO, 2004). Aexpectativa é que o padrão esteja pronto até oprimeiro semestre de 2011 (IEEE, 2011). Opadrão inclui funções de rádio cognitivo, como,por exemplo, gerenciamento e sensoriamento deespectro, geolocalização e uso de uma base de

dados com informações do uso do espectro.A taxa de transmissão esperada para o canaldireto do CPE é de 1,5 Mbit/s, enquanto que parao canal de retorno espera-se até 384 kbit/s. Oraio de cobertura deve ser de, no máximo,33 km. A eficiência espectral varia de 0,5 até5 bit/s/Hz, considerando a média de 3 bit/s/Hz, ecorresponde a uma taxa de dados de camadafísica (PHY) de 18 Mbit/s de canal de TV de6 MHz.A Figura 2 mostra as características do padrão802.22 em relação a outros padrões de rede semfio. É possível notar que o padrão irá exploraruma cobertura com raio superior ao das redesWiMAX, padrão IEEE 802.16, e frequências entre54 e 862 MHz. No entanto, o aumento do raio decobertura leva ao aumento do prefixo cíclico, quepode ser traduzido como um tempo de guardaentre transmissões consecutivas. Em redesWi-Fi, o prefixo cíclico é da ordem de 0,25 µsenquanto no padrão 802.22, de até 33 µs.Durante esse tempo, como não há transmissões,gera-se um desperdício de recursos, que é umdos motivos da menor eficiência espectral dasredes regionais (Regional Area Network – RAN).A frequência de operação especificada no padrãovaria de 54 até 862 MHz, porém, nos EstadosUnidos, somente frequências abaixo de 698 MHzsão permitidas pela FCC (2008).O padrão 802.22 possui suporte aosmecanismos de QoS e proteção aosincumbentes (receptores de TV e usuáriosprimários) para operação na banda licenciada.

Fonte: IEEE, 2010.Figura 2 Característica do padrão 802.22 WRAN em relação aos outros padrões de rede sem fio existentes

segundo o IEEE



O sistema 802.22, que não possui suporte àmobilidade, especifica a interface aérea sem fioponto-multiponto (PMP), em que uma BS (basestation) gerencia suas próprias células e todos osCPE associados. Diferentemente de uma BStradicional, a BS desempenha a função deassegurar a proteção às operadoras incumbents,instruindo os CPE associados a realizaremmedidas nos diferentes canais de TV, e dedecidir os passos a serem tomados, através darealimentação recebida.A camada PHY do padrão utiliza a técnica deacesso OFDMA (Orthogonal Frequency-DivisionMultiple Access) para o enlace direto e deretorno.O espalhamento temporal (delay spread) é longo,entre 25 e 50 µs para grandes áreas e áreasmetropolitanas, levando em conta a escolha doprefixo cíclico da ordem de 33 µs, conformemostra a Figura 2.Um canal de TV utiliza 2048 portadoras (IEEE,2010).Os esquemas de modulação suportados são oQPSK, o 16-QAM e o 64-QAM, com esquema decodificação convolucional de taxa 1/2, 3/4 e 2/3.Além disso, operam a taxas de dados de poucoskbit/s por subcanal, até aproximadamente18 Mbit/s por canal de TV.O padrão especifica uma largura de bandamáxima de 3 canais de TV adjacentes de 6 MHz,totalizando, assim, 18 MHz (CORDEIRO et al.,2006).O quadro do padrão 802.22, conforme mostra aFigura 3, é muito similar ao quadro do padrãoWiMAX 802.16. O tamanho do quadro é de10 ms, que é dividido entre o subquadro do canal

direto e reverso. No início do quadro, envia-se opreâmbulo para que os CPE possam identificarseu início. Em seguida, enviam-se os dados decontrole para que os CPE possam, por exemplo,identificar se há dados a receber e espaço paratransmissão no quadro do enlace reverso.É importante observar (conforme Figura 3) aexistência de alguns símbolos no quadro paratratar da coexistência, ou seja, diferentes redesque operam na mesma faixa de frequência. Esseé um fator agravante na complexidade dopadrão, cujo objetivo é operar na formasecundária.

1.3 O padrão IEEE 1900

O Comitê de Coordenação de Padrões SCC41(Standards Coordinating Committee – SCC) doIEEE iniciou a série 1900 para tratar dapadronização da próxima geração de rádioscognitivos e gerenciamento de espectro(CORDEIRO et al., 2006). O foco está emmelhorar o uso do espectro. As novas técnicas emétodos do acesso dinâmico ao espectrorequerem novas interfaces de gerenciamento,coordenação das tecnologias sem fio e ocompartilhamento das informações das redes. Um resumo de cada Grupo de Trabalho(Working Group – WG) é apresentado a seguir.

1.3.1 IEEE 1900.1: Conceitos e DefiniçõesPadrão para Gerenciamento de Espectro eTecnologias Avançadas de Sistemas de Rádio

Este WG é responsável pela criação do glossáriode importantes conceitos e termos relacionadosa rádios cognitivos.

Fonte: IEEE, 2010.

Figura 3 Exemplo da estrutura de quadro do 802.22 segundo o IEEE



1.3.2 IEEE 1900.2: Prática Recomendadapara Análise de Interferência e Coexistência

O objetivo do WG 1900.2 é recomendar oscritérios de análise de interferência e estabelecerum processo comum de medida e análise deinterferência entre sistemas de rádio.Impactos e formas de mitigar a interferênciatambém são tratadas na norma, além dos níveisde incerteza aceitáveis para as medidas.

1.3.3 IEEE 1900.3: Prática Recomendadapara Avaliação de Conformidade de Módulosde Software para os Rádios Definidos porSoftware

Neste WG são desenvolvidos testes e métodospara análise de conformidade dos módulos desoftware dos RDSs.O objetivo é definir um conjunto derecomendações que ajudem a medir acoexistência e a validar os módulos de softwareantes de se prosseguir com a validação ecertificação final dos equipamentos.

1.3.4 IEEE 1900.4: Suporte de Coexistênciapara as Interfaces Aéreas Heterogêneas eReconfiguráveis

O WG 1900.4 definirá a arquitetura do sistemacomo um todo, dividindo as funcionalidades entreos terminais e a rede, e também a informaçãotrocada entre entidades coordenadoras.Seus objetivos principais são aumentar autilização do sistema como um todo pelosterminais configuráveis e aumentar a percepçãoda QoS. Todos os equipamentos emconformidade com o IEEE 1900.4 devem operarde uma maneira oportunística e dinâmica, demodo a não degradar o desempenho dosequipamentos primários.Equipamentos com capacidades cognitivastrazem novos desafios para o processo decertificação. Em comparação aos rádiostradicionais, é mais difícil provar que um rádiocognitivo mantém-se dentro dos limitesoperacionais. Vendedores de rádio devemfuturamente conhecer as metodologias de designe os procedimentos de teste para afirmar que umequipamento não irá interferir nos usuáriosprimários para um dado canal de frequência.Diferentes níveis de confiabilidade podem serdefinidos para determinada faixa espectral e seuusuário primário. Por exemplo, para os rádioscognitivos que atuam na banda de aviação, acapacidade de detectar atividades de usuáriosprimários deve ter um alto nível de confiabilidade.Outros projetos do IEEE relacionados à próximageração de rádios servem de referência para oIEEE SCC41:

a) IEEE 802.18: Grupo Conselheiro Técnicopara Regulamentação de Rádio;

b) IEEE 802.19: Grupo Conselheiro Técnicode Coexistência;

c) IEEE 802.21: Grupo Conselheiro Técnicopara Serviços de HandoverIndependente do Meio;

d) IEEE 802.22: Grupo de Trabalho emRedes Sem Fio Regionais.

Desse modo, a coexistência de redes e autilização dos espaços em branco do espectrosão temas amplamente estudados pelo IEEE,principalmente nos padrões IEEE 1900 e 802.22.

1.4 A padronização na Europa

O Instituto Europeu de Padronização emTelecomunicações (ETSI) criou em 2008 oComitê Técnico (CT) para Sistemas de RádioReconfiguráveis (SRR) (MUECK, 2009). Ocomitê realiza um trabalho complementar ao queé feito pelo IEEE SCC41 e às atividade do IEEE802, em conformidade com os padrões de SDR,que vão além do escopo do IEEE, com ospadrões de RC/RDS, incluindo as necessidadesespecíficas da estrutura regulatória europeia, ecom os padrões de RC/RDS para os segmentosde espectro de TV adaptados às característicasdo sinal de TV digital na Europa.O CT SRR do ETSI criou quatro grupos detrabalho, conforme mostra a Figura 4 (MUECK,2009).O WG1 desenvolve as propostas em relação aosaspectos de sistema para garantir coerênciaentre os diferentes grupos de trabalho da SRR epara evitar sobreposição e lacunas entreatividades correlatas.O WG2 tem como objetivo desenvolver atecnologia de RDS, voltada para a arquitetura doequipamento de rádio, e propostas de arquiteturade referência para os equipamentos de RC/RDS(telefones celulares, estações-radiobase, etc.) einterfaces relacionadas.

Figura 4 Estrutura SRR do ETSIO WG3 trabalha com gerenciamento e controlecognitivo. O grupo coleta e define asfuncionalidades relacionadas ao gerenciamentodo espectro e de recursos de rádio entretecnologias de acesso heterogêneas para ossistemas de rádio reconfiguráveis. O grupotambém está desenvolvendo uma arquiteturafuncional de gerenciamento e controle dossistemas de rádio reconfiguráveis.



O trabalho do WG4 está voltado para asegurança pública, e envolve a coleta e adefinição dos requisitos para o SRR junto aórgãos, governos e indústrias relevantes que têminteresse na segurança pública e em assuntosrelacionados à defesa. O grupo também defineos aspectos de sistema para as aplicações doSRR para a segurança pública e de defesa.

2 Tecnologias correlatas

2.1 Sensoriamento do espectro

Algumas das funções do rádio cognitivo são:varrer periodicamente o espectro, levantar osserviços primários licenciados para a faixa emquestão e identificar canais e espaços temporais(white spaces) nos quais não há operação deserviço primário. Esse conjunto deprocedimentos é conhecido como sensoriamentodo espectro. Canais ou oportunidades de tempopodem ser utilizados pelo rádio cognitivo comousuário secundário, nesse contexto.No entanto, cuidados devem ser tomados paraque a transmissão secundária não interfira nosserviços primários ou nos demais serviçossecundários que, por acaso, estiverem emoperação. Além disso, a transmissão secundáriadeve ser imediatamente encerrada caso oserviço primário entre no ar.A maior parte do espectro é subutilizada eestudos mostram que a taxa de uso é de menosde 20% (MACKENZIE et al., 2009). Além disso,apenas uma fração do espectro não requerlicença para ser utilizada, e está disponível paraa evolução de serviços sem fio, como, porexemplo, o altamente popular padrão IEEE802.11.A FCC já sofre pressão para mudanças nomodelo regulatório de licenciamento do espectro.Em 2008, emitiu um memorando (FCC, 2008)que trata da operação oportunista nos canais deradiodifusão de TV, com base no fato de suascaracterísticas de uso espaço-temporal e depropagação serem relativamente previsíveis.Para proteger os usuários primários dos efeitosde interferência das transmissões dos rádioscognitivos, estes devem identificar de formaconfiável as oportunidades existentes emfrequência, espaço e tempo. A Tabela 1 lista ascaracterísticas de alguns métodos que podemser usados na identificação das oportunidades(GHASEMI; SOUSA, 2008). Os métodos sãoapresentados na primeira coluna e asfuncionalidades/características, nas demaiscolunas. Um “X” significa que o método oferecesuporte para determinada funcionalidade. Um “-”significa que o método não oferece suporte ounão se aplica à determinadafuncionalidade/característica. O custo (baixo/alto)e a complexidade (baixa/alta) dos modelos

também são analisados.Os dois primeiros métodos delegam aossistemas primários a função de prover aosusuários secundários a informação atualizada deuso do espectro (como, por exemplo, localizaçãodos transmissores primários, potência e tempode transmissão), através de registros em umbanco de dados centralizado ou da radiodifusãoem portadoras-piloto locais. Embora essesmétodos permitam o desenvolvimento dereceptores secundários simples, eles requeremalgumas modificações no sistema primáriolicenciado, que podem ser incompatíveis com asredes primárias já implantadas. Além do custopotencialmente elevado, tais soluções tambémnecessitam da informação de posicionamentodos demais usuários secundários, bem como deconexão dedicada ao banco de dados ou aosinal-piloto.O último método, o sensoriamento direto dasbandas licenciadas do espectro, baseia-seapenas no próprio sistema secundário paradetectar as oportunidades de transmissão. Umavez detectada uma oportunidade no espectro, orádio cognitivo poderá ocupá-la imediatamente.Entretanto, ele deve controlar o acesso aoespectro, de modo adaptativo, e mudar de bandaou interromper a transmissão para evitarinterferências nos receptores primários oudemais secundários.O receptor que mede o sinal e faz a varredura doespectro é chamado de detector. Basicamente,existem dois tipos de detector: detector deenergia (radiômetro) e detector coerente, quepode ser específico para cada tipo de modulaçãoe codificação.Independentemente do tipo de detector utilizado,a busca por oportunidade de transmissão podeser classificada em dois grupos: sensoriamentoreativo e pró-ativo. A busca por oportunidade nosensoriamento reativo ocorre por demanda, istoé, o espectro é analisado somente quando orádio tem algo a transmitir. Já no sensoriamentopró-ativo a busca é realizada periodicamente.Uma lista de uma ou mais bandas licenciadasque possam permitir o acesso secundário émantida, de forma a minimizar o atraso geradopela busca. Esse modo é apropriado paraaplicações em que seja preciso manter a QoS.O consumo de energia, contudo, é maior.Recomenda-se que o rádio possa ter autonomiapara operar tanto no modo reativo quanto nopró-ativo, de modo a atender aos diversos tiposde aplicação.Existem vários desafios para a correta detecçãodas transmissões. A seguir, são listadas fontesde incertezas tanto do espectro quanto dosreceptores, as quais afetam a sensibilidade dadetecção.



2.1.1 Período do sensoriamento

Enquanto o rádio cognitivo transmite, ele deveperiodicamente dividir o tempo de transmissãopara monitorar a banda, no caso de o usuárioprimário entrar no ar. Quanto menor o período,menor o tempo em que o rádio deixa de percebero reaparecimento do serviço primário. Assim, operíodo do sensoriamento determina o máximoatraso de acesso e, consequentemente, adegradação da qualidade de serviço. O períodovai depender do tipo de serviço primário, e deveser definido pelo órgão regulador de cada banda.

2.1.2 Sensibilidade da detecção

Existe uma forte dependência entre asensibilidade da detecção de um rádio cognitivoe a máxima potência de transmissão de bandapermitida. Uma rede com mais usuários emaiores potências de transmissão afetaria ossistemas primários mais distantes. Desse modo,um esquema de gerência do espectro deveexistir para lidar com a interferência total atravésde, por exemplo, a limitação da potênciatransmitida ou a coordenação de transmissões.

2.1.3 Incerteza do canal

Por conta do baixo nível de potência detectada,desvanecimentos e reflexões da transmissãoprimária podem ser equivocadamenteinterpretados como uma oportunidade, o quepode levar o rádio cognitivo a transmitir einterferir no sistema primário. Os rádioscognitivos precisam distinguir os sinais primáriosdesvanecidos ou refletidos de uma possíveloportunidade.

2.1.4 Incerteza do ruído

A potência do ruído deve ser estimada peloreceptor, e sua precisão é afetada por erros decalibração, variações na temperatura de ruído eimprecisão dos circuitos. Os detectores deenergia (amplitude) não conseguem distinguir umsinal primário muito fraco de um ruído se a suarazão sinal-ruído (Signal-to-Noise Ratio – SNR)ficar abaixo do valor definido pelo nível deincerteza de ruído.Detectores de característica, específicos paracada tipo de modulação e codificação, nãoapresentam esse problema. No entanto, suaimplementação é mais complexa.

2.1.5 Incerteza da interferência agregada

Interferência gerada por demais rádios cognitivosque operam na mesma banda. A Tabela 1mostra um resumo das características de cadamétodo discutidas anteriormente.

2.1.6 Sensoriamento cooperativo doespectroA detecção do sinal primário no caso deocorrência de desvanecimento ou sombreamento(shadowing) requer o aumento da sensibilidadedo receptor do rádio cognitivo. Manter alta asensibilidade do receptor, com elevado grau deconfiabilidade, pode ser uma tarefa muito difícilnas piores condições de sombreamento oudesvanecimento. No entanto, como os efeitos desses fenômenosvariam significativamente em relação àlocalização do receptor, a incerteza decorrentedesses dois fenômenos pode ser mitigadaquando diferentes receptores participam dadetecção e compartilham seus resultadosindividuais e, de forma cooperativa, decidemcomo ocupar o espectro licenciado.O ganho de diversidade obtido pelosensoriamento cooperativo permite detectar osinal sem a necessidade de impor umasensibilidade elevada para cada receptor(GHASEMI; SOUSA, 2005) e usar sistemas dehardware menos complexos e de custo maisbaixo.A cooperação, por sua vez, aumenta o númerode mensagens de controle na rede – overheadde comunicação. Deve ser eleito um elementocoordenador para processar a decisão sobre aocupação de uma banda. Esse processamentorequer um canal de controle para permitir adifusão da informação entre os rádios cognitivose o elemento coordenador.

2.2 MIMO cognitivo

De acordo com Mackenzie et al. (2009), para atecnologia de rádios cognitivos, as múltiplasantenas MIMO (Multiple Input – Multiple Output)podem ser utilizadas para melhorar a razão sinal-interferência mais ruído (Signal to Interferenceplus Noise Ratio – SINR) dos sinais transmitidos,prover diversidade, introduzir uma dimensão desinalização extra, como, por exemplo, amultiplexidade espacial e diminuição dainterferência.

Tabela 1 Métodos de identificação de oportunidades de transmissão

Métodos Custoinfraestrutura

Compart. c/o sistema

implantadoComplexidadedo transceptor Posicionamento Conexão

c/ InternetMonitoramento

contínuoPadronização

do canal

Banco dedados Alto - Baixa X X - -

Sinais-piloto Alto - Baixa X - - X

Sens.espectro Baixo X Alta - - X -



As antenas MIMO cognitivas podem serutilizadas, também, em rádios cognitivos paradeterminar o melhor mapeamento entre umconjunto de parâmetros observáveis e osesquemas de transmissão disponíveis.Os desafios de explorar as múltiplas antenas emsistemas de rádio cognitivo são diversos.Adicionar a dimensão espacial nas técnicas detransmissão disponíveis aumenta o tamanho dojá imenso espaço de parâmetros do problema.Ainda, a possibilidade de usar múltiplas antenaspara a transmissão de múltiplos sinais tambémaumenta o número de problemas a seremsolucionados (MACKENZIE et al., 2009).Finalmente, o desempenho das várias técnicasMIMO depende fortemente da matriz de canal eda qualidade da informação disponível. Combase nessas informações, derivar uma técnicaadaptativa para escolher os melhores esquemasde transmissão torna-se um grande desafio.

2.3 SISO em paralelo

A técnica SISO (Single Input – Single Output) emparalelo consiste em utilizar múltiplas antenasem um rádio cognitivo para transmitir fluxos deinformação simultaneamente, utilizandodiferentes bandas (MACKENZIE et al., 2009).Apesar de esta técnica reduzir a eficiênciaespectral (quando comparada com a técnicaMIMO), ela melhora a SINR, o que a tornacandidata para as aplicações com taxa constantede transmissão de dados.Os trabalhos na criação de uma máquinacognitiva complementam-se com odesenvolvimento de algoritmos de sensoriamentode espectro e da criação dos mapas deambientes de rádio. O desenvolvimento de rádiosmultimodo, multibandas e configuráveis tambémdeve ser levado em conta. A interação entre osagentes cognitivos também está sendopesquisada utilizando a teoria dos jogos(MACKENZIE et al., 2009).

3 Plataformas de rádio definido porsoftware

Há um grande número de plataformas de RDSdocumentadas na literatura que podem serutilizadas para o desenvolvimento de técnicas derádio cognitivo (NARLANKA et al., 2007; BAHL etal., 2009). Considerando-se a arquitetura dehardware, a maioria das plataformas utiliza pelomenos uma FPGA ou um DSP no chipset, parasolucionar os algoritmos cognitivos de maiorcomplexidade, e um processador de uso geral,para solucionar os algoritmos relacionados àpilha do protocolo do sistema de comunicação eque não são críticos em termos de tempo deprocessamento.Uma das plataformas mais populares é a USRP2do projeto GNU Radio (NARLANKA et al., 2007).

Essa plataforma utiliza FPGA Xilinx Spartan e écapaz de suportar larguras de banda de até25 MHz, sendo que a versão mais recente podesuportar até 100 MHz de largura de banda.Apresenta a vantagem de ser uma plataformalivre para experimentação, mas tem restrições decapacidade de processamento, que limitam odesenvolvimento de padrões de comunicaçãoavançados. Por outro lado, foi lançado para essaplataforma, no início de 2010, um codificadorcompatível com os padrões de rádioIEEE 802.11a/g/p, que pode viabilizar soluçõesde rádio cognitivo para redes ad hoc e mesh.Há também plataformas sofisticadas, de customais elevado, projetadas especificamente para odesenvolvimento de soluções avançadas derádio cognitivo (NARLANKA et al., 2007; BAHL etal., 2009). A plataforma de Berkeley (NARLANKAet al., 2007), por exemplo, utiliza cinco FPGAsVirtex2 de alta capacidade e pode conectar até18 placas de expansão, todas com suporte alarguras de banda de até 25 MHz. Os sensoresde radiofrequência apresentam alta sensibilidadee baixa figura de ruído e suportam modos deoperação FDD e TDD (Frequency and TimeDivision Duplex).Há também plataformas, como a KNOWS(Kognitiv Networking Over White Spaces) daMicrosoft Research (BAHL et al., 2009), quepossibilitam o uso oportunista do espectro a partirdo reuso de módulos de rádio padrão. AKNOWS, por exemplo, foi desenvolvida a partirde um cartão de rede Wi-Fi IEEE 802.11g parapossibilitar a operação oportunista de redes semfio na faixa de TV. Essa solução emprega ummódulo de rádio reconfigurável para translaçãoda faixa de frequência de operação do Wi-Fi paraa faixa de TV UHF. Utiliza também um módulo deRDS desenvolvido a partir da USRP (UniversalSoftware Radio Peripheral) para varrer a faixa deTV. Com base nessa varredura, com o suportede um MAC (Medium Access Control) inteligentee de um canal de controle comum, essa soluçãopossibilita gerenciar o acesso dos nós da redepela faixa de TV sem interferir nas emissoraslicenciadas na região de operação.

3.1 Plataforma KNOWS

A KNOWS é uma plataforma de hardware esoftware concebida para detectar e utilizarautomaticamente faixas não utilizadas de TVUHF, sem interferir em serviços originalmentelicenciados para uma dada região. Essaplataforma inclui um MAC inteligente quepercebe o espectro, além de protocolos ealgoritmos que permitem lidar com faixas defrequência fragmentadas.A Figura 5 mostra a arquitetura sistêmica daplataforma KNOWS e a Figura 6 mostra aplataforma de hardware. Na camada de redeestão as aplicações responsáveis pelo



roteamento e pelo tráfego de dados na rede semfio. A plataforma KNOWS é a responsável porimplementar a interface aérea (PHY e MAC) deuma rede Wi-Fi 802.11g sobre a faixa defrequência de TV UHF. Um nó dessa rede éconstituído pelo conjunto computador e cartão deacesso, cuja interface pode ser tanto USB quantoEthernet.

Fonte: YUAN et al., 2007.

Figura 5 Arquitetura da plataforma KNOWS A camada física da KNOWS é realizada pelostrês módulos funcionais indicados na Figura 5.São eles: Interface Reconfigurável, RádioReconfigurável e Scanner de Rádio. Emhardware, esses módulos são implementadosnos componentes “Up e Down Converters ecartão 802.11g” e “Scanner UHF”, conformemostra a Figura 6.O rádio reconfigurável é desenvolvido a partir deum cartão Wi-Fi 802.11g, que gera sinais OFDMem 2,4 GHz. Além disso, é composto tambémpor conversores de frequência para a faixa deUHF, tanto para transmissão (Up Converter)quanto para recepção (Down Converter). Há umainterface reconfigurável que corresponde a umconjunto de registradores no módulo deconversão de frequência e possibilita aconfiguração automática do modo de operação(frequência de operação, largura de banda epotência) pela MAC Cognitiva (CMAC). Essainterface é representada na arquitetura dosistema pelo módulo Interface Reconfigurável.O scanner é o responsável pela varredura dafaixa de 470 a 928 MHz para tomar medidas depotência de sinal a cada 3 kHz. Após avarredura, é disponibilizada para a CMAC umaestimativa do espectro de potência na faixa de

interesse. A varredura é realizada a cada30 minutos e leva aproximadamente 10 ms paravarrer um canal de TV com 6 MHz de largura debanda.O GPS é opcional e incorporado ao sistema paraprover informação sobre a região de operação epara sincronização de tempo, uma vez que éutilizado um canal de controle comum. Essainformação de localização pode ser adotada paraauxiliar na identificação das emissoras de TV daregião.O MAC da plataforma KNOWS suporta umesquema de acesso ao meio diferente dosesquemas implementados em um MAC 802.11convencional. Ele necessita de funcionalidadesadicionais para fazer uso oportunista da faixa deTV.O MAC utiliza um canal de controle comum emuma faixa não licenciada. Isso possibilita que nósvizinhos possam colaborar entre si na melhoriada estimativa de ocupação da faixa de TV UHF ena decisão sobre reservas de recursos de bandapara futuras conexões de rádio. Em hardware, oMAC é desenvolvido em um processadorembarcado x86, como mostra a Figura 6.As estimativas de ocupação da faixa de TV sãoarmazenadas em uma unidade denominadaRAM (Resource Allocation Matrix), que mapeiaindividualmente os canais de TV disponíveis(valor 1) ou ocupados (valor 0) na faixa de UHF.A atualização da RAM é feita a partir da operaçãoAND entre a informação atual da RAM e asinformações coletadas pelo presente nó e pelosnós vizinhos.

Figura 6 Plataforma de hardware

ConclusãoUm dos principais estímulos à pesquisa e aodesenvolvimento em rádios cognitivos é apossibilidade do uso inteligente e oportunista derecursos de rádio no tempo, na frequência(espectro) e no espaço (múltiplas antenas). Oconceito de cognição é ainda mais abrangente ese estende para ajustar, de maneira automática einteligente, o comportamento do sistema e darede, de modo a tirar o melhor proveito dosrecursos disponíveis e aperfeiçoar a


Rádio Reconfigurável

Scanner de Rádio

Interface Reconfigurável

CMAC(MAC Cognitiva)

b-SMART(Controle de Alocação

de Espectro)

Tabela de Alocação de Espectro

Network Layer (TCP/IP)

Camada MAC

Camada PHY

KNOWS


comunicação em prol do usuário. Nessecontexto, este artigo apresentou umlevantamento dos principais padrões emdesenvolvimento e das tecnologias de camadafísica que têm o maior potencial deaperfeiçoamento através das técnicas decognição, tais como: sensoriamento de espectro,MIMO e SISO paralelo.Além do aspecto tecnológico, este artigo tambéminvestigou aspectos regulatórios consideradosfundamentais para viabilizar o uso de rádioscognitivos. O estudo realizado constatou que háum grande esforço das agências reguladoras emtodo o mundo para tornar mais eficiente o uso doespectro. O objetivo das agências é a definiçãode regras que possibilitem que serviços nãolicenciados de comunicação possam atuar comoserviço secundário em faixas licenciadas, comoas de TV. Também foi realizado um levantamento dasplataformas de hardware que possibilitam odesenvolvimento das técnicas de rádio cognitivomais promissoras, como o uso oportunista doespectro. Constatou-se que a plataforma de hardware parao rádio cognitivo é a mesma da já bemestabelecida tecnologia de rádio definido porsoftware. O grande número de plataformasdisponíveis permite a escolha da melhor relaçãoentre custo e capacidade de processamento.Além disso, o hardware é tipicamentereconfigurável e de uso geral. Porém, éimportante destacar que entre os principaisdesafios está o desenvolvimento do software aser executado em tais plataformas, que deve serinteligente e de complexidade suficientementebaixa para operar em tempo real.

AgradecimentosOs autores agradecem o apoio dado a estetrabalho, desenvolvido no âmbito do projeto“Redes de Acesso Sem Fio Avançadas” quecontou com recursos do Fundo para oDesenvolvimento Tecnológico dasTelecomunicações – FUNTTEL, do Ministériodas Comunicações, através do Convênio nº01.09.0631.00 com a Financiadora de Estudos eProjetos – FINEP.Também aos colegas de trabalho, Paulo H. M.Santos, Mônica D. de A. Cachoni e Fabrício L.Figueiredo, que ajudaram na árdua tarefa derevisão.

Referências

AGÊNCIA NACIONAL DETELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Agenda da12a Plenária do GRR-2.4 (Grupo Relator deRadiocomunicações) da CBC-2 (ComissãoBrasileira de Comunicações). Brasília, 20 set.2010.

AHONEN, T. T.; KASPER, T.; MELKKO, S. 3GMarketing: Communities and StrategicPartnerships. John Wiley & Sons, Inc., 2004.

BAHL, P. et al. White Space Networking withWi-Fi like Connectivity. In: SPECIAL INTERESTGROUP ON DATA COMMUNICATION(SIGCOMM), 2009, Barcelona, Spain. SIGCOMMProceedings...

CORDEIRO, C. et al. IEEE 802.22: AnIntroduction to the First Wireless Standard basedon Cognitive Radios. Journal ofCommunications, v. 1, n. 1, p. 38-47, April,2006.

FEDERAL COMMUNICATIONS COMMISSION(FCC). FCC 08-260: Unlicensed Operation inthe TV Broadcast Bands, 2008.

______. FCC 10-174: Unlicensed Operation inthe TV Broadcast Bands, 2010.

GHASEMI, A.; SOUSA, E. S. Spectrum Sensingin Cognitive Radio Networks: Requirements,Challenges and Design Trade-Offs. IEEECommunications Magazine, v. 46, n. 4, p.32-39, Apr. 2008.

______. Collaborative Spectrum Sensing forOpportunistic Access in Fading Environments.Proceedings of 1st IEEE InternationalSymposium on New Frontiers in DynamicSpectrum Access Networks, USA: IEEE, 2005.p. 131-136.

INSTITUTE OF ELECTRICAL ANDELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). IEEEP802.22. Wireless Regional Area NetworksWorking Group. P802.22/D4.0 Draft Standard forWireless Regional Area Networks Part 22:Cognitive Wireless RAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer (PHY) specifications:Policies and procedures for operation in theTV Bands, Aug. 2010.

______. Wireless Regional Area NetworksWorking Group. P802.22. Amendment to theIEEE Standard 802.22-2011, doc.: IEEE 802.22-11/0059r09, atualizado em 12-Jun-201117:23:08. Disponível em:<https://mentor.ieee.org/802.22/documents>.Acesso em: 20 jun. 2011.

MACKENZIE, A. B. et al. Cognitive Radio andNetworking Research at Virginia Tech.Proceedings of the IEEE, v. 97, n. 4, p. 660-688,2009.

MANGOLD, A. J.; MONNEY, C. Cognitive Radio– Trends and Research Challenges. SwisscomComtec Magazine, v. 3, p. 6-9, July 2005.

MITOLA, J.; MAGUIRE, G. Q. Cognitive Radio:Making Software Radio More Personal.



Proceedings of IEEE PersonalCommunications, v. 6, n. 4, p. 13-18, Aug. 1999.

MOY, C.; RAULET R. High-Level DesignMethodology for Ultra-Fast Software DefinedRadio Prototyping on Heterogeneous Platforms,Journal on Advances in Electronics andTelecommunications – Radio CommunicationSeries: special issue on Recent Advances andFuture Trends in Wireless Communications,v. 1, p. 67-85, Apr. 2010.

MUECK, M. et al. ETSI Reconfigurable RadioSystems – Software Defined Radio and CognitiveRadio standards. In: IEEE INTERNATIONALSYMPOSIUM ON PERSONAL, INDOOR ANDMOBILE RADIO COMMUNICATIONS, 2009.Proceedings... IEEE, 2009. p.1-5.

NARLANKA, S. et al. A Hardware Platform forUtilizing TV Bands With a Wi-Fi Radio. In:WORKSHOP ON LOCAL & METROPOLITANAREA NETWORKS, 15., 2007, New York.Proceedings... 2007, p. 49-53.

SIMONITE, T. Long Range WiFi Edges NearerWith FCC Decision. Technology Review, Sept.2010. Disponível em:<http://www.technologyreview.com/blog/editors/25793/>. Acesso em: 27 set. 2010.

YUAN, Y. et al. KNOWS: Kognitiv NetworkingOver White Spaces. In: IEEE INTERNATIONALSYMPOSIUM ON NEW FRONTIERS INDYNAMIC SPECTRUM ACCESS NETWORKS(DySPAN), 2., 2007. Proceedings... 2007.

Abstract

This paper reviews the challenges and trends, not only about cognitive radio spectrum sensing, but alsoraises questions related to the network elements cooperation, regulation, standardization and the existentcognitive radio platforms. The research and development initiatives about the subject will be describedincluding the regulation efforts from the USA and Brazil, as well as the standardization issues of IEEE andESTI (European Telecommunications Standards Institute). Finally, some spectrum sensing strategies,challenges in using multiple antennas and cognitive radio development platform will be examined.

Key words: Cognitive radio. Software-defined radio. IEEE 802.22. Cooperative spectrum sensing.


Integrando satélite com redes banda larga semfio terrestres

Marcos Guimarães Castello Branco*, Juliano João Bazzo, Ralph Robert Heinrich

A comunicação via satélite tem se mostrado a melhor forma de realizar a inclusão digital em áreasremotas e também de prover acesso à Internet e a outros serviços digitais para empresas que realizamnegócios em regiões que não são atendidas pela infraestrutura de telecomunicações por cabos e pormeios wireless exclusivamente terrestres. Esse é o caso da maioria das cidades do interior dos estadosdo norte do Brasil, de estações petrolíferas oceânicas e de áreas de mineração. O custo do acesso viasatélite é elevado, não só pelo grande investimento necessário para lançar e construir um satélite queprecisa ser amortizado, mas também pela infraestrutura terrestre necessária para prover acesso aousuário final. Dessa forma, este artigo trata dos desafios para o provimento de acesso via satélite àsregiões remotas a um menor custo, das questões regulatórias e da proposta de pesquisa para esteassunto.

Palavras-chave: Redes integradas satélite-terrestre. WiMAX. DVB. Acesso sem fio banda larga (BWA).

Introdução

A comunicação por satélite tem sido muitoutilizada ao longo dos anos, especialmente emenlaces ponto a ponto, para regiões remotas, debaixa densidade populacional e sem ainfraestrutura de telecomunicações, e tambémpara atender redes corporativas e de acesso àInternet com pequenas estações VSAT (VerySmall Aperture Terminal) (ITU-R, 2010a),distribuídas geograficamente em grandes áreasterritoriais dispersas. Um grande passo foi dado nos Estados Unidos,nos últimos anos, com a introdução de satélitescom spot beams em banda Ka para baixar oscustos do segmento espacial, adicionando-sesignificativa capacidade (Mbit/s) em relação aossatélites tradicionais. Particularmente, no caso determinais de acesso banda larga, as soluções viasatélite ainda podem ser melhoradas no sentidode aproximar seus custos daqueles dos terminaisde acesso sem fio por redes terrestres dastecnologias WiMAX (Worldwide Interoperabilityfor Microwave Access) e Wi-Fi (WirelessFidelity), por exemplo.Por outro lado, os programas de inclusão digitalno Brasil vêm trazendo novas oportunidades parasoluções de rede que possam levar capacidade eacesso às mais remotas localidades do País.Nesse contexto, redes via satélite e outrosrecursos de rede de longa distância são opçõespara prover acesso a essas localidades. Emboraa tecnologia de redes VSAT esteja sendoutilizada, na maioria dos casos, com terminaisinstalados diretamente na residência dosusuários, em alguns casos, se utiliza ainterligação via satélite na forma de backhaul –

por meio da interligação entre o núcleo da rede eas redes periféricas, também conhecidas comoredes de última milha.Entretanto, as redes de última milha sem fioterrestres para áreas remotas normalmente nãoatraem investimentos, uma vez que a demandade tráfego dos usuários locais por área decobertura não atende à quantidade mínimanecessária para custear toda a infraestrutura deestações-radiobase (ERB) e dos backhaulinstalados.Por esse motivo, foram iniciados estudos visandoà integração das tecnologias de satélite e desistemas banda larga sem fio terrestres com oobjetivo de tirar o máximo proveito de ambas astecnologias, reduzir o custo do sistema deacesso local (ERB e terminais) e aumentar aintegração com os pontos de distribuição decapacidade (núcleo da rede), por meio daintegração de protocolos e funcionalidades entrea ERB e a estação central do segmento satélite(HUB)1. No CPqD, em particular, os estudos seconcentram no desenvolvimento de umaplataforma experimental que permita avaliar evalidar formas eficientes de promover esse tipode integração, que futuramente poderão serimplementadas em novos produtos que permitamtirar melhor proveito do elevado custo do MHz nosatélite e torná-lo um braço fundamental paralevar os sistemas banda larga sem fio aterritórios remotos e carentes de infraestrutura.Este artigo apresenta algumas alternativastecnológicas de integração satélite-terrestre quevêm sendo estudadas e alguns exemplos demovimentos de padronização internacional paraas redes híbridas e integradas, especialmente,nos grupos de estudo do Setor de

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected] A HUB satélite é o equipamento que está ao lado da unidade geradora da informação, normalmente localizada em grandes

centros de operação.


Integrando satélite com redes banda larga sem fio terrestres

Radiocomunicações da União Internacional deTelecomunicações (InternationalTelecommunication Union RadiocommunicationSector – ITU-R). Esses estudos são objeto deum projeto de pesquisa que visa à criação deuma Plataforma Integrada de Acesso BandaLarga Satélite-Terrestre com o objetivo de proporuma nova tecnologia de acesso banda larga aosusuários mais distantes e residentes em áreasainda sem infraestrutura de telecomunicações,de forma mais eficiente e barata em relação àssoluções em que o enlace via satélite é apenasusado como backhaul.Na Seção 1 serão apresentados alguns cenáriose algumas soluções possíveis para a criação deum novo sistema de acesso banda larga satélite-terrestre. Na Seção 2 será apresentado o cenárioregulatório do serviço fixo por satélite (FixedSatellite Service – FSS) no Brasil. Na Seção 3serão apresentados os cenários para o serviçomóvel por satélite (Mobile Satellite Service –MSS). Em seguida, as conclusões.

1 Cenários de soluções

Segundo a União Internacional deTelecomunicações (ITU), as seguintes soluçõespara o atendimento às áreas remotas forampropostas (ITU-R, 2010b):

a) sistema híbrido satélite-terrestre: utilizacomponentes de redes satélite e terrestreque, embora estejam interconectados,são gerenciados de forma independente.Nesse modelo, os componentes, tanto emhardware quanto em software, do enlacede satélite e terrestre possuemtecnologias, protocolos e sistemas degerência completamente diferentes,podendo, inclusive, ser operados pordiferentes operadoras;

b) sistema integrado móvel e por satélite(MSS): utiliza componentes de redessatélite e terrestre, sendo que ocomponente terrestre é complementar aosistema de satélite. Nesse sistema, há um

único sistema de gerência. Vale ressaltarque ambos os componentes, terrestre ede satélite, utilizam a mesma faixa ebanda de frequência.

A primeira proposta (sistema híbridosatélite-terrestre) corresponde ao modelo de redemais difundido, em decorrência de suaindependência em relação à forma degerenciamento, aos fabricantes, às faixas defrequência e à tecnologia de rede.A segunda proposta, completamente diferente daprimeira, refere-se à integração de um sistemamóvel terrestre com um sistema de satélite –somente um sistema de gerência controla oconjunto de tecnologias.Uma nova proposta de pesquisa é a criação deuma solução mais integrada entre o sistema desatélite e a tecnologia WiMAX para o acesso deúltima milha, conforme Figura 1. A principaldiferença em relação ao sistema integrado(segunda proposta) é que serão buscadasformas de transferir parte dos módulos, dehardware e de software, da estação-radiobasepara a HUB, visando reduzir o custo do acessoremoto sem reduzir a qualidade do serviço aosusuários. A pesquisa para o desenvolvimentodessa nova solução inicia-se com a identificaçãode rotinas e protocolos que são utilizados nacamada física e de enlace do WiMAX paraverificar a viabilidade de serem transferidos daestação-radiobase (ERB) para a estação central(HUB).Em um resultado ideal, espera-se que naestação-radiobase restem somente:

a) elementos de radiofrequência(amplificadores, filtros, antenas, etc.) e

b) um sistema de software embarcado pararealizar o processamento do quadro dopadrão de satélite, por exemplo, o padrãoDVB-S/RCS (Direct Video Broadcast viaSatellite/Return Channel via Satellite),extração do quadro WiMAX emapeamento dos dados nas portadorasde frequência selecionadas.

Figura 1 Cenário 1 – O usuário remoto é atendido por uma ERB que trata do quadro integrado WiMAX eDVB-S/RCS



Os algoritmos de escalonamento, ARQ(Automatic Repeat-reQuest) e HARQ (HybridARQ), por exemplo, seriam executados naestação central. É fácil prever que a transferência defuncionalidades entre as duas pontas do sistemanão será uma tarefa simples, uma vez que oenlace de satélites apresenta diversaspeculiaridades, como, por exemplo, o atraso.Na Figura 2, outro cenário de pesquisa aindamais desafiador propõe o acesso realizadodiretamente do ponto de acesso do usuário final,sugerindo a possibilidade de a estação deusuário apresentar um custo tão reduzido a pontode tornar esse cenário viável. Para esse cenário,o terminal do usuário, apesar de empregar atecnologia WiMAX, deverá possuir capacidadede operar com baixos níveis de sinalprovenientes do satélite e, para tanto, utilizaruma antena direcional de alto ganho semelhanteàs utilizadas pelas estações terrenas de redessatélite convencionais. Esse cenário somenteserá viável economicamente se a integração datecnologia WiMAX no segmento satélite levar auma solução de mais baixo custo que uma redesatélite convencional com capacidade de tráfegoequivalente.

2 Cenário regulatório do serviço fixo porsatélite

O serviço fixo por satélite (FSS) é regidointernacionalmente pela ITU, responsável peloestabelecimento das regras de utilização doespectro de frequências e pela coordenaçãoespacial dos satélites em suas respectivasórbitas e posições orbitais, por meio do

Regulamento de Radiocomunicações (ITU-R,2008).Uma vez que os dois cenários, objetos depesquisa descritos anteriormente, consideram ousuário final fixo, neste artigo serãoconsideradas, inicialmente, as regras do FSSestabelecidas pela ITU-R.

2.1 Atribuições de faixas de frequência parao serviço fixo por satélite

As faixas de frequência para o FSS sãoatribuídas internacionalmente pelas ConferênciasMundiais de Radiocomunicações (WorldRadiocommunication Conferences – WRCs) daITU-R, assim como as demais faixas defrequência para todos os outros serviços queempregam radiofrequência. A partir de cada umadessas WRCs, é reeditado o Regulamento deRadiocomunicações (RR) da ITU, que possuiforça de tratado internacional e contém todas asnormas que regem o uso do espectroradioelétrico mundial. A última edição do RR daITU data de 2008, logo após a WRC 07. Apróxima edição será gerada após a próximaconferência mundial, prevista para 2012 (WRC12). Paralelamente, no Brasil, a Anatel reproduzas atribuições estabelecidas pela ITU para ospaíses da Região 2 (Américas) e realiza algumasadequações específicas sem contrariar asprincipais bases da atribuição internacional doRR para essa região. Por meio de um sistemainterativo disponível na página da Anatel(ANATEL, 2010a), é possível verificar todas asfaixas de frequência atribuídas para uso do FSSno Brasil. As principais delas estão relacionadasna Tabela 1.

Figura 2 Cenário 2 – Arquitetura sem a ERB (usuário remoto recebe e transmite o sinal diretamente de/parao satélite)



Tabela 1 Principais faixas de frequência atribuídas ao FSS no Brasil

Faixas para oFSS Nomenclatura Sentido do enlace Características

3400 a 3625MHz Banda C Descida

(Espaço/Terra)Tem caráter secundário no Brasil, uma vez que compartilha

espectro com o WiMAX.


(Espaço/Terra)

Tem caráter primário no Brasil e é bastante empregada emredes VSAT, especialmente por se tratar do pedaço de faixa

em que não há atribuição para o serviço fixo terrestre porenlaces ponto a ponto (P-P).


(Espaço/Terra)Tem caráter primário no Brasil e é bastante empregada em

redes VSAT.


(Espaço/Terra)Tem caráter primário no Brasil, porém é menos utilizada que a

faixa entre 3625 a 4200 MHz.

5150 a 5250MHz Banda C Subida

(Terra/Espaço)Tem caráter primário no Brasil, porém é mais utilizada paraenlaces de alimentação dos sistemas do serviço móvel por

satélite (MSS).


(Terra/Espaço)Tem caráter primário no Brasil e faz paridade com o

segmento entre 3625 a 3700 MHz na descida.


(Terra/Espaço)Tem caráter primário no Brasil e faz paridade com o

segmento entre 3700 a 4200 MHz na descida.


(Terra/Espaço)Tem caráter primário no Brasil, porém ainda não está

regulamentada.


(Terra/Espaço)Tem caráter primário no Brasil, englobando algumas

regulamentações específicas de serviços. Porém, é menosutilizada que a faixa entre 5850 e 6425 MHz.


(Espaço/Terra)

Tem caráter primário no Brasil, porém está parcialmenteregulamentada e destinada a serviços, como: Auxiliar de

Radiodifusão e Correlatos (SARC) e Repetição de Televisão(RpTV).


(Espaço/Terra)Tem caráter primário no Brasil, porém é menos utilizada que afaixa entre 3625 e 4200 MHz. É também compartilhada com o

serviço fixo-terrestre.


(Terra/Espaço)Tem caráter primário no Brasil, porém é menos utilizada que a

faixa entre 5850 e 6425 MHz.

7975 a 8025MHz - Subida

(Terra/Espaço)Tem caráter primário no Brasil, porém ainda não está

regulamentada.


(Terra/Espaço)Tem caráter primário no Brasil, porém é mais voltada para

uso militar.


(Terra/Espaço)Tem caráter primário no Brasil, porém é mais voltada para

uso militar.

10700 a11700 MHz - Descida

(Espaço/Terra)Tem caráter primário no Brasil e está sujeita às regras de

coordenação pela Res. 288/2002 (ANATEL, 2002).

11700 a12200 MHz - Descida

(Espaço/Terra)Tem caráter primário no Brasil e está sujeita às regras de

coordenação pela Res. 288/2002 (ANATEL, 2002).

12750 a13250 MHz - Subida

(Terra/Espaço)Tem caráter primário no Brasil, porém é destinada ao Serviço

Auxiliar de Radiodifusão (SARC).


(Terra/Espaço) Tem caráter primário no Brasil, compartilhando com sistemas

de radiolocalização.


(Terra/Espaço) Tem caráter primário no Brasil.



Além dessas faixas, frequências na banda Ka(20/30 GHz) são destinadas ao FSS, porém commenor utilização no Brasil, em decorrência dosfortes efeitos de atenuação dos sinais causadospelas chuvas – efeitos esses que já não sãodesprezíveis em frequências bem mais baixas nabanda Ku. Tais limitações vêm sendo, entretanto,reavaliadas por meio de novas tecnologias demodulação e codificação (ex.: DVB-S2), seja pelouso de feixes direcionais de alto ganho (spotbeams) ou pelo uso de satélites de média oubaixa órbita que permitem maiores níveis depotência de sinal na superfície da Terra, além demenores atrasos de propagação.O site da Anatel também disponibiliza a relaçãodos satélites autorizados a operar no Brasil comsuas respectivas faixas de operação e posiçõesorbitais (ANATEL, 2010b).

2.2 Aspectos de compartilhamento comoutros serviços

A escolha das faixas de operação para o projetode uma rede satélite-terrestre passa pela análisedo compartilhamento de frequências com outrosserviços que podem ser afetados pelos seguintesfatores:

a) classificação dos serviços como primárioou secundário: quando o serviço FSSestiver compartilhando frequências comoutro serviço primário, ele deverá oferecerproteção e respeitar rigorosamente asregras de potência e canalização, bemcomo os limites de espúrios e harmônicos.Quando o compartilhamento ocorrer comum serviço secundário, não é necessáriooferecer proteção, porém é importantecertificar-se de que o serviço secundárionão está provocando interferência noprimário, sendo que, caso essainterferência ocorra, deve-se reivindicarações punitivas por parte da Anatel;

b) capacidade de discriminação por antenasdirecionais: no caso particular docompartilhamento de sistemas FSS comsistemas SF (Serviço Fixo Terrestre), porexemplo, um recurso muito comum éempregar discriminação por antenasdirecionais, evitando-se assim osazimutes das rotas do SF em relação aoenlace do FSS. Dessa forma, é possívelatender a requisitos de emissõesmáximas de radiação fora do eixo daantena, facilitando a coordenação comoutros satélites na órbita ou outrosserviços (ITU-R, 2006; 2009). Esterecurso deixa de ser simples no caso desistemas SF não direcionais (ex.: antenassetoriais ou omnidirecionais), como é ocaso das ERBs do WiMAX.

c) as formas de compartilhamento defrequências do FSS com os sistemas de

acesso sem fio banda larga (BWA) –como o WiMAX, que vem sendo utilizadona banda C – tornaram-se tema de estudoda ITU, uma vez que a faixa é a mesmautilizada por satélites ou muito próxima(ITU-R, 2009). Uma solução integradasatélite-terrestre na banda C poderá trazeruma solução técnica mais adequada àconvivência das tecnologias WiMAX esatélite neste mesmo segmento doespectro.

2.3 Limites de potência e aspectos decoordenação

Outro aspecto importante do FSS é que, emdecorrência do alto grau de congestionamentoorbital no arco de satélites geoestacionários,algumas condições são impostas às redes queoperam com esses satélites, envolvendo limitesde emissão de potência isotrópica efetivamenteradiada (Effective Isotropic Radiated Power –EIRP) e regras de coordenação espacial eterrestre.As regras de coordenação entre redes satélitesque operam em faixas compartilhadas,especialmente sobre os mesmos territórios, sãoestabelecidas pelo Regulamento deRadiocomunicações da ITU e aplicadas atravésde acordos bilaterais entre as administraçõesdetentoras de cada um dos satélites envolvidos.A Gerência Geral de Satélites da Anatel é amediadora das reuniões de coordenação bilateralentre os operadores de satélite no Brasil.

3 Alternativas para o serviço móvel porsatélite (MSS)

Apesar de que a solução técnica mais viável, emtermos de banda, seja utilizar a arquitetura doFSS, a integração satélite-terrestre também podeser realizada com a arquitetura do MSS.Nesse contexto, o terminal do usuário pode serportátil e operar diretamente com o satélite, emvez de uma estação-radiobase WiMAX. Noentanto, o sistema precisa ser autorizado aoperar nas faixas designadas ao MSS e não aoFSS. As regras de operação do MSS sãotambém estabelecidas pela ITU-R eregulamentadas pelo Regulamento deRadiocomunicações.

3.1 Integração do satélite com sistemas deradiodifusão móvel

Uma das soluções que estão sendo implantadasem alguns países é a tecnologia que permite arecepção de sinais de TV em terminais móveis. O sinal pode ser recebido de estaçõesrepetidoras terrestres ou diretamente desatélites. A Figura 3 ilustra esse cenário. Estasolução foi padronizada como DVB-SH (DirectVideo Broadcast – Satellite Handset) (DVB,



2009). Nessa arquitetura, o satélite não só provêo sinal de TV diretamente ao terminal móvel,como também provê sinal às estaçõesrepetidoras terrestres, denominadas gap fillers,que permitem cobrir as deficiências do sinaloriginado no satélite. Nesse tipo de solução, oemprego de sinais OFDM pelo satélite e pelosistema terrestre é facilitado pela característicaunidirecional da aplicação de radiodifusão. Nocaso de sistemas unidirecionais de broadcast, ocompartilhamento de uma mesma portadoraOFDM por TDM e da informação comum nelacontida por um grande número de usuários tornamais simples e eficiente a integração. Esse tipode aplicação tem, certamente, foco distinto doque se procura alcançar com a integração desistemas satélite com sistemas terrestres deacesso banda larga bidirecionais. Na integraçãocom sistemas de acesso terrestres bidirecionais,o emprego dos sinais OFDM ainda está sendoestudado (WIEGANDT; NASSAR; WU, 2001),uma vez que o canal de retorno contéminformações distintas provenientes de cadausuário e o compartilhamento de portadoras nosatélite é tratado por técnicas de múltiplo acessonem sempre tão eficientes em termos de faixa ede potência. No entanto, os benefícios potenciaisdesse tipo de integração bidirecional incluem oganho de escala para os sistemas OFDM mesmoem áreas remotas, uma vez que essa tecnologiajá é parte das soluções adotadas mundialmentepara os sistemas celulares de quarta geração(4G).

3.2 Principais desafios tecnológicos daintegração

Entre os principais desafios desse tipo de

integração de sistemas satélite e terrestre, pode-se citar as preocupações em contornar os efeitosde atraso e não linearidades do satélite quepoderão impactar o desempenho do sistemapara algumas aplicações. Este último aspectoimpacta especialmente o emprego de sistemasmultiportadoras, como o OFDM (OrthogonalFrequency-Division Multiplexing), empregado nossistemas terrestres sem fio mais modernos, aexemplo do WiMAX e do LTE (Long TermEvolution).Algumas técnicas já vêm sendo estudadas paracompensar os efeitos de não linearidades notransponder satélite, como o CI-OFDM (CarrierInterferometry-OFDM) (WIEGANDT; NASSAR;WU, 2001), que se baseia em um processo deespalhamento do sinal reduzindo-se a relaçãopico-média de potência (Peak-to-Average PowerRatio – PAPR) do sinal OFDM e minimizando-seos efeitos degradantes da não linearidade (emdecorrência do reduzido backoff) do amplificadorde potência do satélite.

Conclusão

A integração eficiente de redes satélite e redesterrestres sem fio de última milha necessita desoluções de baixo custo para levar o acessobanda larga a regiões remotas e carentes doBrasil. Este artigo apresentou algumastendências para solucionar o problema doacesso remoto de baixo custo através daintegração de sistemas de acesso sem fioterrestre com sistemas satélite. As soluçõesexistentes para prover acesso aos serviços dedados e TV aos usuários fixos e móveis bemcomo os aspectos de regulamentação foramabordados.

Figura 3 Arquitetura do DVB-SH



Agradecimentos


Referências

AGÊNCIA NACIONAL DETELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Resoluçãono 288: Norma das Condições de Operação deSatélites Geoestacionários em Banda Ku comCobertura sobre o Território Brasileiro. 2002.Disponível em:<http://www.anatel.gov.br/Portal/verificaDocumentos/documento.asp?numeroPublicacao=34359&assuntoPublicacao=Resolu%E7%E3o%20n.%B0%20288&caminhoRel=null&filtro=1&documentoPath=biblioteca/resolucao/2002/res_288_2002.pdf>. Acesso em: dez. 2010.

______. Base de dados do Plano deAtribuição, Destinação e Distribuição deFaixas de Frequência no Brasil. Atualizada em:2010a. Disponível em:<http://sistemas.anatel.gov.br/pdff/Consulta/Pesquisa.Asp>. Acesso em: dez. 2010. (Sistemasinterativos de consulta).

______. Relação dos satélites autorizados aoperar no Brasil. Atualizada em: 2010b.Disponível em:<http://www.anatel.gov.br/Portal/exibirPortalPaginaEspecial.do?acao=&codItemCanal=1162&codigoVisao=5&nomeVisao=Empresas&nomeCanal=Sat%C3%A9lite&nomeItemCanal=Sat%C3%A9lites%20autorizados>. Acesso em: jun. 2010.(Sistemas interativos de consulta).

DVB. Satellite services to handhelds: Mobile TVover advanced hybrid satellite terrestrial

networks. DVB Fact Sheet. Apr., 2009.Disponível em: <http://www.dvb-h.org/PDF/dvb-sh-fact-sheet.0409.pdf>. Acesso em: dez. 2010.

ITU RADIOCOMMUNICATION SECTOR (ITU-R). S.524: Maximum permissible levels of off-axise.i.r.p. density from earth stations ingeostationary-satellite orbit networks operating inthe fixed-satellite service transmitting in the 6GHz, 13 GHz, 14 GHz and 30 GHz frequencybands. Switzerland, 2006. Disponível em:<http://www.itu.int/en/publications/Pages/default.aspx>. Acesso em: dez. 2010.

______. Radio Regulations. Geneva: ITU, 2008.Disponível em: <http://www.itu.int/publ/R-REG-RR/en>. Acesso em: jan. 2011.

______. ITU-R WP4A – Contribution 241: Draftnew report ITU-R S.[BWA-FSS] - Studies oncompatibility of broadband wireless access(BWA) systems and fixed-satellite service (FSS)networks in the 3 400-4 200 MHz band, Doc.4A/TEMP/BWArep. USA, 2009. Disponível em:<http://www.itu.int/md/R07-WP4A-C-0241/en>.Acesso em: dez. 2010.

______. ITU-R WP4A – Contribution 436:Working document towards a preliminary draftrevision of Recommendation ITU-R S.725 -Technical characteristics for very small apertureterminals (VSATs), Doc 4A/ 436. Brazil, Mar.2010a. Disponível em:<http://www.itu.int/md/R07-WP4A-C-0436/en>.Acesso em: dez. 2010.

______. ITU-R WP4B Contribution 131: LiasonStatement to Study Group 6 (copy to WorkingParty 4B) – PROPOSED DEFINITIONS FOR“INTEGRATED MSS SYSTEM” AND “HYBRIDSATELLITE/TERRESTRIAL SYSTEM”.Doc.4B/31. Chairman CCV, 13 May 2010b.Disponível em: <http://www.itu.int/md/R07-WP4B-C-0131/en>. Acesso em: dez. 2010.

WIEGANDT, D. A.; NASSAR, C. R.; WU, Z.Overcoming peak-to-average power ratio issuesin OFDM via carrier-interferometry codes. In:IEEE VEHICULAR TECHNOLOGYCONFERENCE, 54., 2001, Atlantic City, NJ,USA. Proceedings... p. 660-663, v. 2.

Abstract

Satellite communication is one of the most important tools for digital inclusion in remote areas as well asto provide Internet access and other digital services for corporations and business offices located faraway from broadband terrestrial telecommunication infrastructures. This is the case of the majority ofsmall cities in the North of Brazil, in offshore platforms and in mineral extraction areas. The satelliteaccess cost is still high not only due to the space segment construction and launching investments butalso due to the last mile terrestrial segment cost. This paper deals with the challenges to reach a lowercost satellite access for remote regions presenting the regulatory aspects and the proposed researchtopics for this subject.

Key words: Satellite-Terrestrial Integration. DVB. WiMAX. BWA.


Redes de sensores ZigBee: visão geral datecnologia e análise de consumo dos nós

Fabrício Poloni dos Santos*

Este trabalho apresenta uma revisão sobre o padrão ZigBee, que atualmente tem sido bastanteprocurado e explorado. O artigo inclui a apresentação de alguns pontos importantes que o padrãooferece e também um comparativo entre os protocolos de roteamento sob demanda e hierárquico. Outroobjetivo do presente trabalho é verificar o desempenho de ambos os protocolos em relação ao consumode energia, uma vez que tal requisito constitui um dos pontos mais importantes para o bom desempenhode uma rede de sensores.

Palavras-chave: ZigBee. Malha. Árvore. Estrela.

IntroduçãoO padrão ZigBee (ERGEN, 2004) é um conjuntode especificações definidas para uma redeWPAN (Wireless Personal Area Network) usadaprincipalmente na criação de redes de sensores.Sua principal função é criar, a um baixo custo,redes que operem a uma baixa taxa detransmissão de dados (de 20 a 250 kbit/s) eapresentem baixo consumo de energia, o queprolonga o tempo de vida das baterias.O desenvolvimento da camada de acesso e dacamada física foi baseado no padrãoIEEE 802.15.4 (IEEE, 2006), o que possibilitou aobtenção de todas as características e vantagensque o padrão oferece.Com base no exposto, este artigo tem comoobjetivo mostrar as principais característicasrelacionadas ao padrão ZigBee, a saber: aflexibilidade da rede e a auto-organização darede ad hoc, bem como o baixíssimo custo, aportabilidade e a mobilidade possibilitadas pelosdispositivos. Ao final, o artigo apresenta umestudo de caso de consumo de energia naatividade dos protocolos de roteamento definidosno padrão em diferentes topologias de rede.Os valores e conclusões obtidos foram baseadosem kits de desenvolvimento ZigBee, nafrequência de 2.4 GHz.

1 Arquitetura

A arquitetura ZigBee (ZIGBEE ALLIANCE, 2007)foi desenvolvida em camadas definidas pelanorma IEEE 802.15.4 e pela ZigBee Alliance.Essas camadas foram construídas para proveras especificações necessárias à garantia dofuncionamento e da interoperabilidade entreredes ZigBee, estabelecendo a conectividadeentre os dispositivos da rede e conferindointegridade, confidencialidade e autenticidade aotráfego de pacote de dados. Conforme a Figura 1, a camada física PHY, queprovê o meio de transmissão dos dados, foiespecificada para três faixas de frequência ISM

(Industrial, Scientific and Medical) distintas:868 MHz (Europa), 915 MHz (EUA) e 2.4 GHz(global).

Figura 1 Arquitetura ZigBee

A camada de acesso MAC (Media AccessControl) tem o intuito de prover umacomunicação confiável entre os nós e seusvizinhos diretos, por meio da utilização domecanismo CSMA-CA (Carrier Sense MultipleAccess with Collision Avoidance) (IEEE, 2006).Essa camada evita que ocorram colisões depacotes, melhorando a eficiência na entrega depacotes de dados. A camada de controle da rede NWK (Network)contém diversas funcionalidades, entre elas:iniciação da rede ZigBee, disponibilização deendereços de rede, inclusão ou remoção dedispositivos e roteamento e entrega de pacotesde dados entre os dispositivos da rede.Adicionalmente, a camada NWK inclui adescoberta e a manutenção de rotas entre todosos dispositivos envolvidos na rede. A camada de aplicação é constituída pelassubcamadas APS (Application Support), ZDO(ZigBee Device Object), pelos objetos deaplicação definidos pelo fabricante (Framework)



IEEE 802.15.4

ZigBee Alliance

APP user

Application

APSAPSAPSAPSAPSAPSAPSAPSAPS(Application Support)(Application Support)(Application Support)(Application Support)(Application Support)(Application Support)(Application Support)(Application Support)(Application Support)

SecurityNWK

(Network)

ZDOManagement Plane

MAC(Media Access Control)

PHY868 Mhz / 900 MHz / 2.4 GHz

FrameworkFrameworkFrameworkFrameworkFrameworkFrameworkFrameworkFrameworkFramework

Application user

ZDOZDOZDOZDOZDOZDOZDOZDOZDO(ZigBee Device Object)(ZigBee Device Object)(ZigBee Device Object)(ZigBee Device Object)(ZigBee Device Object)(ZigBee Device Object)(ZigBee Device Object)(ZigBee Device Object)(ZigBee Device Object)

Redes de sensores ZigBee: visão geral da tecnologia e análise de consumo dos nós

e, finalmente, pela aplicação do usuário.A subcamada APS define as interfaces e ocontrole de serviços baseando-se nasinformações da camada NWK, de modo a poderatender os dispositivos ZigBee e a aplicação dousuário. Já a subcamada ZDO tem a função deestabelecer a comunicação entre a subcamadaAPS e a camada NWK. Além disso, ela defineregras para os dispositivos ZigBee na rede,iniciando ou respondendo às requisições debinding para estabelecer uma conexão segura(FARAHANI, 2008). Além dessas funções, asubcamada ZDO tem a responsabilidade dedeterminar os tipos de serviço, facilitando aentrada de novos dispositivos (que podem serdefinidos como coordenadores, roteadores ouapenas dispositivos finais) em uma rede jáiniciada.A camada de segurança, por sua vez, é utilizadapela camada NWK e pela subcamada APS, efornece o mecanismo de criptografia AES(Advance Encryption Standard) de 128 bits,garantindo a confidencialidade, a integridade e aautenticidade dos dados. Finalmente, a subcamada Framework provê adescrição da forma como construir um perfil derede especificando uma gama de tipos de dadospara os padrões de perfis a serem criados pelaaplicação do usuário.

2 Elementos da rede ZigBee

O sistema ZigBee consiste basicamente em doiscomponentes: FFD (Full Function Device) e RFD(Reduced Function Device). A rede ZigBee deveter pelo menos um FFD coordenador. O FFDpode operar em três modos: coordenador,roteador ou simples dispositivo final. O RFD sedestina a redes extremamente simples e semnecessidade de grandes fluxos de dados.

2.1 Coordenador (FFD)

Também chamado de ZC (ZigBee Coordinator),este tipo de dispositivo é o único FFDresponsável pela formação de uma rede ZigBee.Por essa razão, é um elemento obrigatório efunciona como o gateway da rede.O coordenador estabelece um canal de operaçãoe o número lógico para a identificação do novonó inserido para formação da rede. Uma vezestabelecidos esses parâmetros, o coordenadorpode formar uma rede permitindo que roteadorese dispositivos finais se integrem a ela. Após a formação da rede, o coordenadorfunciona como um roteador, podendo participarno redirecionamento de pacotes de dados e seruma origem ou destino de pacotes de dados.

2.2 Roteador (FFD)

O roteador ou ZR (ZigBee Router) é um nó FFDque cria e mantém as informações da rede e as

utiliza para determinar a melhor rota para otráfego de um pacote de dados. Esse dispositivoverifica constantemente a conectividade com osseus nós vizinhos, mantendo a tabela de rotassempre atualizada.

2.3 Dispositivo final (RFD)

Um dispositivo final ou ZED (ZigBee End Device)é classificado como um RFD e deve sempreinteragir com o nó pai (ou um roteador ou umcoordenador) na rede para receber ou transmitirdados. Esse dispositivo pode ser a origem ou odestino dos dados; porém, não possuicapacidade para realizar o redirecionamento deinformações.

3 Topologias conhecidas para uma redeZigBee

O padrão ZigBee foi definido para suportar trêstipos de topologia: estrela, árvore e malha.

3.1 Estrela (star)

Em uma topologia estrela, a comunicação éestabelecida entre os nós através de um únicocontrolador central, chamado de coordenadorWPAN. Sendo assim, todas as informaçõesdevem necessariamente passar por esse nó.Aplicações que se beneficiam com a utilizaçãodessa topologia incluem automação residencial,periféricos de computadores pessoais,brinquedos e jogos. Pode-se observar na Figura 2 a topologia estrela.

Figura 2 Topologia estrela

3.2 Malha (mesh)

Conhecida também como peer-to-peer, estatopologia inclui um coordenador WPAN.Diferente da topologia estrela, a topologia malhapermite que qualquer dispositivo se comuniquecom qualquer outro dispositivo, desde que todosestejam sincronizados. Além disso, essatopologia pode ser comparada a uma redead hoc, pois apresenta condições deauto-organização e adaptabilidade. Aplicaçõescomo monitoramento e controle industrial, redesde sensores sem fio, controle de ativos einventário se beneficiariam dessa topologia. Essa topologia permite múltiplos saltos emúltiplas rotas para determinado destino entredispositivos FFD.



Pode-se observar na Figura 3 a topologia malha.

Figura 3 Topologia malha

3.3 Árvore (tree)

A topologia espacial de uma rede peer-to-peerpermite que qualquer um dos FFD assuma afunção de coordenador e preste serviços desincronização para outros dispositivos ecoordenadores. Apenas um dessescoordenadores será o coordenador WPAN.Cada grupo de coordenadores, roteadores edispositivos finais é denominado cluster. Essesgrupos somente podem se interligar porintermédio dos coordenadores. É a união dessesdiversos clusters que constitui a topologia árvore.Pode-se observar na Figura 4 a topologia árvore.

Figura 4 Topologia árvore

4 Inicialização da rede

A inicialização de uma rede ZigBee estádiretamente relacionada a uma primitiva dentroda camada NWK e restrita ao coordenador.O coordenador procura, em um conjunto decanais de comunicação, aqueles que não estãosendo utilizados ou estão menos ocupados. Apósesse processo, os canais são ordenados deforma decrescente considerando-se os valoresobtidos nos níveis de energia, sendo descartadosos canais com níveis mais baixos. Em seguida, ocoordenador busca, entre os canais escolhidos,por dispositivos ou redes ZigBee. Com base noresultado gerado, o coordenador escolhe omelhor canal, sendo este preferencialmente umcanal que não esteja sendo utilizado na criaçãoda nova rede. O coordenador gera, então, umidentificador lógico a ser utilizado pelos novosnós que ingressarem na rede.

5 Atribuição de endereços

Em redes ZigBee, os endereços são atribuídospelo coordenador ou roteador existente na rede,sendo que essa atribuição é baseada em umalgoritmo de árvore estruturada. No dispositivo

coordenador, há um conjunto de parâmetros queincluem definições da profundidade máxima darede, número máximo de filhos entre roteadorese dispositivos finais que podem estar em umroteador principal (pai). A partir do cálculo da profundidade de uma rede,é possível determinar o número de saltosexistentes entre o coordenador da rede equalquer outro dispositivo existente na rede. Umexemplo pode ser observado na Figura 5.

Figura 5 Árvore lógica de uma rede ZigBee

Esses atributos podem ser utilizados paradeterminar o lugar de um dispositivo na árvore.A atribuição de endereços é feita da seguintemaneira:

• Atribuição de endereço ao roteador filho:Aparentn−1x Cskipd 1

• Atribuição de endereço ao dispositivofinal filho:

AparentRm xCskip d nonde:d = profundidadeAparent = nó vizinhoRm = número de roteadores filhosn = número do nó

6 Roteamento

Na tecnologia ZigBee, os terminais FFD(coordenadores ou roteadores) são responsáveispela descoberta e pela manutenção das rotas narede. Cada conexão entre dois terminais échamada de enlace, sendo a rota composta porum ou mais enlaces. Parâmetros como qualidadedo enlace, número de saltos e conservação deenergia podem ser usados para decidir ocaminho ótimo para cada cenário de roteamento.Assim, cada enlace está associado a um custo,que determina a probabilidade de sucesso naentrega do pacote. Entre as várias rotas quegarantem a comunicação entre dois nós, afunção de roteamento escolhe aquela queapresenta o menor custo total (soma dos custosdos enlaces). Por padrão, existem dois tipos de roteamento(ERGEN, 2004): roteamento hierárquico eroteamento sob demanda (Ad hoc On-demandDistance Vector – AODV). Pode-se observar na



Figura 6 as camadas envolvidas na transmissãode pacotes de dados da origem ao destino,passando pelo roteador da rede.

Figura 6 Comunicação entre as camadas dosdispositivos

AODV (FARAHANI, 2008) é um protocolootimizado para ocupar menos recursosreferentes a processamento e espaço dememória. Esse protocolo monta a rota entreorigem e destino somente quando há anecessidade de transmissão. Projetado paramaximizar a eficiência e a escalabilidade, oprotocolo reduz a disseminação de tráfego decontrole e minimiza o overhead no tráfego dedados. O roteador ou coordenador é responsávelpelo encaminhamento dos pacotes entre um nóorigem e um nó destino. Esses dispositivosmantêm duas tabelas com dados que auxiliam oroteamento: uma tabela de descoberta de rota euma tabela de rota. A tabela de rota, atualizada periodicamente,contém todos os endereços dos nós que levam opacote de dados de sua origem até o seudestino. Já a tabela de descoberta de rota contém todosos endereços de novos dispositivos para novasrotas. Durante o processo de descoberta derotas, quando não há registros de determinadodestino, o nó (roteador ou coordenador) envia ocomando de descoberta de rota em broadcast,verificando assim o enlace com seus vizinhos, eos endereços são armazenados na tabela. Umarota conhecida também pode sofrer alteraçõescaso ocorra alguma desconexão entre os nósdessa rota. Pode-se observar na Figura 7 oalgoritmo AODV.

Figura 7 Algoritmo de roteamento AODV

7 Consumo de fontes de energia (baterias)

Uma das características mais relevantes do

padrão ZigBee é o fato de os nós da redepossuírem capacidade para serem alimentadospela mesma bateria durante anos, o que ocorreporque nós do tipo RFD podem dormir (modosleep). Já nós do tipo FFD, que funcionam comocoordenadores da rede ou roteadores, nãopodem dormir, uma vez que devem estar semprepreparados para rotear rapidamente umamensagem até o destino. Por essa razão,geralmente os nós RFD são alimentados porbaterias enquanto os nós FFD são alimentadospor uma rede de energia. Considerando tais fatores, a ZigBee Allianceestuda maneiras de possibilitar que uma redeseja completamente alimentada por baterias, deforma que os elementos roteadores oucoordenadores possam dormir.

8 Protocolo de roteamento e consumo

Em uma rede de sensores, é estritamentenecessária a otimização da utilização de baterias.Considerando-se redes de sensores densas, épossível estimar o tempo de vida útil de umabateria com base em alguns fatores. São eles: otamanho dos pacotes de dados que trafegam narede; a quantidade de saltos necessária para queo pacote de dados seja entregue ao seu destino;e o ambiente físico onde se encontra a rede, poisum dos pontos que o protocolo de roteamentoconsidera para a formação da rota é o custo doenlace. Esse custo está relacionado ao nível dosinal entre os nós, podendo variar de acordo comruídos, barreiras ou a distância entre cada nó. A Tabela 1 apresenta um caso de uso simples,considerando um nó RFD que acorda a cadahora, recolhe e envia as informações para umroteador ou coordenador e volta a dormir. Casonão receba um pacote de confirmação derecebimento ACK (acknowledge), o nó deverepetir as etapas de 4 a 6 por um número devezes predeterminado. Nesse caso, a capacidade da bateria pode sercalculada multiplicando-se o tempo de duraçãode cada etapa por seu respectivo consumo decorrente. Com base na capacidade da bateria, épossível determinar a bateria específica paraessa aplicação. Por exemplo: se a bateria temuma capacidade nominal de 300 mAh comeficiência de 60%, a capacidade real da bateria éde 180 mAh. Um ponto que deve ser levado em consideraçãoé o fato de que o modo de operação do móduloZigBee depende da periodicidade do tráfego deinformações entre as etapas descritas naTabela 1, as quais dependem da aplicação.É interessante observar que uma porcentagemmaior de energia é gasta no modo sleep, vistoque a aplicação passa mais tempo dormindo doque acordada.



Tabela 1 Caso de uso simples para um móduloZigBee RFD

Etapa AtividadeDuração

(ms)

Corrente

(mA)

Energia

(mAh)

1 Dispositivo sai domodo sleep 3,60E+3 1,00E-6 1,00E-3

2 Transição para omodo ativo 1,00E-2 5,00E-5 1,39E-7

3

Informação dosensor é capturada,processada earmazenada

1,00E-3 5,00E-3 1,39E-6

4

Mudança para omodo de recepçãopara realização doCCA (Clear ChannelAssessment)

7,00E-4 2,00E-2 3,89E-6

5 Transmissão depacotes de dados 8,00E-2 5,00E-2 1,10E-3

6Mudança para modode recepção paraespera do ACK

4,00E-4 2,00E-3

7 Dispositivo entra nomodo sleep

Retorna para a primeiraetapa

8 Total gasto em mAh 1,45E-3

A Tabela 1 exibe um nó RFD num intervalo detempo realizando a leitura de um sensor. OGráfico 1 exibe a durabilidade da bateria emdiversos ciclos de trabalho.

Consum o RFD

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

178 178 177 176 174 168

Período de Atividade (m s)

Cons

umo

(mA)

Gráfico 1 Consumo médio de um dispositivo RFD

Ao se observar o Gráfico 1, fica clara adiminuição do tempo de vida da bateria com oaumento da periodicidade do trabalho dodispositivo final. O Gráfico 2 exibe a durabilidadeda bateria em diversos ciclos de trabalho paraum dispositivo (FFD), que pode ser umcoordenador ou roteador, em um tempodeterminado, realizando duas tarefas: a criaçãode rotas e o encaminhamento de pacotes. NasTabelas 2 e 3, pode-se observar os valores deconsumo em cada etapa do processo deroteamento e encaminhamento de pacotes.

Consum o FFD

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0,58 0,59 0,593 0,595 0,596 0,597 0,597 0,598

Período de Atividade (m s)

Cons

umo

(mA)

Gráfico 2 Consumo médio de um dispositivo FFD

Tabela 2 Caso de uso simples para um móduloZigBee FFD


(ms)

Corrente

(mA)

Energia

(mAh)

1 Aguardando 2,00E-2 3,00E-4 1,67E-6

2Recebe o dataframe com osdados de destino

6,00E-4 2,00E-2 3,33E-6

3 Transmite o pacotede dados 8,02E-2 5,00E-2 1,11E-3

4

Mudança para omodo de recepçãopara espera doACK

4,00E-4 2,00E-2 2,22E-6

5 Estado ativo Retorna para a primeira etapa

6 Total gasto emmAh 1,12E-3

Tabela 3 Caso de uso simples para um móduloZigBee na descoberta de rota


(ms)

Corrente

(mA)

Energia

(mAh)

1Transmiterequisição de rotaRREQ

1,52E-4 5,00E-2 2,11E-6

2 Recebe data frameRREP 2,00E-5 2,00E-2 1,11E-7

3 Transmite RREPpara origem 1,52E-4 5,00E-2 2,11E-6

4 Estado ativo Retorna para a primeira etapa

5 Total gasto emmAh 4,33E-6

9 Consumo em rede

Com o desempenho referente ao consumomostrado nas Tabelas 1 e 2 e seus respectivosgráficos, é possível verificar o consumo dedeterminada topologia com vários dispositivos


A:7 A:6 A:4


(RFD e FFD). Nas Seções 10 e 12, sãorealizados os cálculos de consumo de duasredes nas topologias malha e árvore. Serápossível, assim, verificar o desempenhoenergético na atuação de dispositivos com e semcapacidade de roteamento e, consequentemente,verificar a atuação dos roteamentos AODV ehierárquico (FARAHANI, 2008).

10 Estudo sobre a topologia árvore

A Figura 8 exibe uma rede com topologia emárvore. Nessa topologia, calcula-se odesempenho da rede em duas situações: umaem que os roteadores possuem capacidade deroteamento e outra em que não possuem.O consumo pode ser obtido a partir da seguinteequação:

onde:PER = período de operaçãoIFFD = consumo dos dispositivos FFDIRFD = consumo dos dispositivos RFD

Legenda:A = endereço do nó na redeD = profundidade do nó na redeCSKIP = quantidade de elementos FFD na rede

Figura 8 Topologia árvore analisada

11 Desempenho dos algoritmos deroteamento (hierárquico e AODV)

Para a verificação do desempenho do algoritmo,a Figura 9 mostra a comunicação entre algunsnós de uma rede de sensores. A comunicaçãoencontra-se entre o nó A, no caso umcoordenador, e o nó F, no caso um dispositivofinal. Segundo o algoritmo do roteamentohierárquico, tem-se o seguinte resultado.

Figura 9 Grafo analisado

Custo = {AB, BF}Rota = {A, B, F}Broadcast = {A, B, C, G, F}

Já no caso da utilização do algoritmo deroteamento AODV, pode-se obter o seguinteresultado, conforme Figura 10.

Figura 10 Grafo analisado

Custo = {AB, BF}Rota = {A, B, F}Broadcast = {A, B, C, G, F, D, E}

O custo refere-se aos links envolvidos naconstrução da rota. Broadcast são todos osdispositivos que responderam à requisição feitapelo nó de origem. Pode-se observar no Gráfico 3, o desempenhodos protocolos de roteamento na topologiailustrada na Figura 8. Com a utilização da mesmaexpressão matemática, pode-se observar que oroteamento hierárquico teve melhor desempenhoque o AODV. Nesse modelo, é possível notarque, no que tange ao consumo de energia emuma operação de um dia, com leituras dedispositivos RFD realizadas a cada 30 minutos, odesempenho da implementação de umatopologia com roteadores sem capacidade deroteamento foi melhor do que o desempenhocom roteadores com capacidade de roteamento.

CONSUMO ENERGÉTICO

0

1000

2000

3000

4000

0,5 3

5,5 8

10,5 13

15,5 18

20,5 23

Tem po de Operação(Hora)

Cons

umo(

mA)

AODVHIERÁRQUICO

Gráfico 3 Comparativo entre roteamento AODV ehierárquico em topologia árvore


A

DF

CB

G E

A:1D:0CSKIP:3

A:2D:1CSKIP:1

FFD

RFDRFD

FFDFFD

RFD RFD

A:5

A:3D:2CSKIP:0

A

DF

CB

G E


12 Estudo sobre a topologia malha

A Figura 11 apresenta uma rede com topologiamalha e o desempenho dos algoritmos deroteamento nessa rede.

Legenda:

A = endereço do nó na redeD = profundidade do nó na redeCSKIP = quantidade de elementos FFD na rede

Figura 11 Topologia malha analisada

No Gráfico 4, é exibido o desempenho dosprotocolos de roteamento. Novamente, oalgoritmo de roteamento hierárquico teve ummelhor desempenho em relação ao AODV.Nessa topologia, há diversos caminhospossíveis, entre a origem e o destino, para oenvio do pacote de dados. O algoritmo deroteamento AODV tem a vantagem de escolher ocaminho com menor custo e maior probabilidadede sucesso, sendo que suas chances de repetiruma transmissão são pequenas em relação aoroteamento hierárquico, que não inclui a escolhacom base no custo de rota. Observando-se os valores do Gráfico 4, épossível notar que foi considerado um caminhode maior custo para a rota definida pelo algoritmode roteamento hierárquico. Com isso, aprobabilidade de retransmissão do pacote de

dados é maior e, consequentemente, o consumosofrerá um aumento.

CONSUMO ENERGÉTICO

0100020003000400050006000

0,5 3

5,5 8

10,5 13

15,5 18

20,5 23

Tem po de Operação(Hora)

Cons

umo(

mA)

AODVHIERÁRQUICO

Gráfico 4 Comparativo entre roteamento AODV ehierárquico em topologia malha

Conclusão

Os algoritmos implementados para o padrãoZigBee são relativamente simples, nãoconsumindo muitos recursos de processamentoou muito espaço de memória. O algoritmo deroteamento hierárquico, de modo geral, obtevemelhor desempenho em relação ao AODV, noque tange ao consumo de energia. Por outro lado, o algoritmo de roteamento AODVapresentou um desempenho superior aohierárquico no que se refere a mobilidade ecapacidade de adaptação à topologia paraobtenção de novas rotas – fatores que tornam arede dinâmica. Esse é um ponto muitoimportante, pois o padrão ZigBee, por ser voltadopara redes de sensores, sempre apresentamudanças no posicionamento de determinadodispositivo. Isso ocasiona mudanças na topologiada rede e gera a necessidade de realização decálculos de novas rotas para o mesmo destino. Aanálise dos desempenhos de ambos osalgoritmos de roteamento é importante para aespecificação das baterias que alimentarão asuposta rede e também para a definição dacomplexidade dos roteadores que suportarão acriação e a manutenção de rotas. Os resultadosapresentados neste artigo podem disponibilizaros custos significativos decorrentes de umaespecificação para cobertura de determinadaaplicação.

Agradecimentos



D:5CSKIP:0

FFD

RFD

FFD

FFDFFD

RFD

A:1D:0CSKIP:6

A:6

FFD

FFD

A:2D:1CSKIP:4

D:2CSKIP:3

D:3CSKIP:2

D:4CSKIP:1

A:3

A:4A:5

A:8

A:7


Referências

ERGEN, S. C. ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary,Editora Newnes, 2004.

FARAHANI, S. ZigBee Wireless Networks andTransceivers, Editora Newnes, 2008.

INSTITUTE OF ELECTRICAL AND

ELECTRONIC ENGINEERS (IEEE). Standard802.15.4-2006, Part 15.4: Wireless MediumAccess Control (MAC) and Physical Layer (PHY)Specifications for Low-Rate Wireless PersonalArea Networks (LR-WPANs). 2006.

ZIGBEE ALLIANCE. ZigBee Specification -document 053474r17. October 2007.

Abstract

This paper presents a review on the ZigBee standard, which has been adopted and explored. This paperalso highlights significant features offered by the standard, and offers a comparative analysis on on-demand and hierarchical routing protocols. Another objective of this present work is to verify theperformance of both protocols in relation to power consumption, since this requirement is one of the mostimportant when the subject is the network sensor performance.

Key words: ZigBee. Mesh. Tree. Star.


Sincronismo para sistemas adaptativosutilizando marca d'água

Mário Uliani Neto*, Leandro de Campos Teixeira Gomes, João Marcos Travassos Romano**

Para que o processo de detecção de uma marca d’água digital seja eficiente, é necessária asincronização da marca no detector. Efeitos de dessincronização podem prejudicar a detecção einviabilizar a extração adequada da informação contida na marca d’água. Este trabalho apresenta doismétodos de sincronização para sistemas de filtragem adaptativa empregando marca d’água. Ambos osmétodos revertem os efeitos de uma ampla classe de ataques de dessincronização. Resultados desimulações computacionais são apresentados para evidenciar o desempenho dos métodos propostos.

Palavras-chave: Sincronismo. Equalização adaptativa. Identificação adaptativa. Marca d'água digital.

IntroduçãoA abordagem deste trabalho propõe o uso deuma marca d’água digital em lugar de umasequência de treinamento como sinal dereferência na filtragem adaptativa supervisionada(GOMES; ULIANI NETO; ROMANO, 2008;ULIANI NETO, 2008; ULIANI NETO et al., 2006;ULIANI NETO; GOMES; ROMANO, 2007b;2009). O sinal de marca d’água é continuamentesuperposto ao sinal de informação por meio datécnica de espalhamento espectral, que consisteno uso, como marca d’água, de um sinalpseudoaleatório distribuído de maneira uniformeem frequência e ortogonal em relação ao sinal deinformação, ocupando uma pequena parcela dapotência disponível para o sinal transmitido.O sinal resultante passa através de um canal detransmissão e atinge o receptor. Por meio dacomparação entre o sinal recebido e a marcad’água original (conhecida no receptor), oscoeficientes do filtro adaptativo sãocontinuamente atualizados. A diferença entre ossinais produz um sinal de erro que érealimentado no próprio filtro. A minimizaçãodesse sinal de erro leva à solução ótima deWiener (HAYKIN, 2001).A principal vantagem dessa abordagem emrelação a técnicas convencionaissupervisionadas é o fato de que o sinal deinformação nunca é interrompido. Além disso, aatualização dos coeficientes do filtro adaptativo écontínua e, portanto, alterações nascaracterísticas do sistema têm efeito imediatosobre a filtragem. Em relação às técnicasadaptativas não supervisionadas, a vantagem douso de uma marca d’água é a obtenção de umafunção unimodal e, na maioria dos casos, umamenor complexidade.Em geral, o processo de detecção de uma marcad'água inicia-se com a sincronização da marcano detector. Dependendo da aplicação, umsistema que utilize marca d'água digital deve ser

robusto frente a diferentes tipos de ataques,intencionais ou não. Ataques que causamdessincronização dificultam a corretarecuperação da informação contida na marcad'água pelo detector, e muitas vezes sãoparticularmente difíceis de se neutralizar.Neste trabalho, serão abordados ataquesdecorrentes de distorções impostas pelatransmissão do sinal marcado através de umcanal. Serão considerados também ataquescaracterizados pela perda e/ou inserção detrechos do sinal transmitido, acarretandomodificações no tamanho do sinal na escalatemporal. Ambas as classes de ataquesanalisadas podem ser intencionais ou não(ULIANI NETO; GOMES; ROMANO, 2007a).Serão detalhadamente analisados dois métodosde sincronização para marcas d'água, ambosbaseados no uso de sequências de treinamentoembutidas na própria marca d'água e comdetecção por correlação. O primeiro métodoutiliza uma média de janelas de análise e osegundo, um algoritmo de programaçãodinâmica. Esses métodos revertem os efeitos deuma ampla classe de ataques dedessincronização, além de serem capazes deressincronizar o sistema continuamente, ao longode todo o sinal recebido.Conforme a aplicação, a marca d'água deveapresentar um determinado grau de robustez adistorções. Em aplicações envolvendo sistemasde comunicação, é em geral desejável que amarca d'água resista a ataques que podemtorná-la indetectável, tais como: adição de ruído,filtragem e perda ou inserção de amostras. Alémde modificarem o sinal de marca d'águatransmitido, reduzindo a sua correlação com amarca original, tais ataques podem provocardessincronização entre a marca transmitida e osinal de referência no receptor.Para acessar a informação contida na marcad'água, o detector deve estar sincronizado com o

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected]. **Coordenador do Laboratório de Processamento de Sinais para Comunicações Móveis (DSPCom) da Universidade Estadual de

Campinas (Unicamp).


Sincronismo para sistemas adaptativos utilizando marca d'água

transmissor; isso significa que o instante de inícioe de fim de cada um dos símbolos que compõema marca devem ser conhecidos. Para sistemasde filtragem adaptativa nos quais a marca d'águaé usada como sinal de referência, o sincronismoé particularmente importante, pois a correlaçãoentre a marca original e o sinal de referência noreceptor diminui rapidamente quando a janela deanálise se afasta da posição correta.O artigo está estruturado como descrito a seguir:a Seção 1 apresenta a ideia geral dos métodosde sincronismo aplicados aos problemas deequalização e identificação adaptativas; aSeção 2 apresenta os métodos de sincronizaçãopropostos; a Seção 3 descreve os algoritmosempregados para implementá-los; a Seção 4apresenta a análise do desempenho dosmétodos de sincronismo com diferentes tipos desinais; e a última Seção apresenta asconsiderações finais e as perspectivas detrabalhos futuros.

1 Sincronismo para sistemas deequalização e identificação adaptativasde canais utilizando marca d’água

Uma das técnicas mais comuns de sincronizaçãoem comunicação digital baseia-se no uso desequências de treinamento. O transmissor enviauma sequência conhecida que atravessa o canalde comunicação; no receptor, a sequênciarecebida é alinhada com um sinal de referênciaidêntico à sequência original, levando àsincronização do sistema. A mesma ideia podeser utilizada para sincronizar a marca d'água: nosesquemas de equalização e identificação, amarca é composta por uma sucessão deamostras conhecidas, obtidas a partir de umasequência pseudoaleatória escalonada que podeser reproduzida no receptor. Essa sequência deamostras será denominada bloco da marcad'água. Para cada janela de análise, o processode sincronização procura localizar determinadobloco no sinal recebido, o que é feito por meio docálculo da correlação desse sinal com asamostras que compõem o bloco original. Essemétodo permite que a sincronização sejarealizada continuamente ao longo da recepção(GÓMEZ, 2000; MOREAU; DYMARSKI; GOMES,2000).Quando um atraso é imposto por um processode filtragem, ou amostras são extraídas e/ouinseridas no sinal marcado, há um deslocamentono pico da correlação entre as janelas do sinalmarcado e o bloco da marca d'água. Com basenessa medida de correlação, o detector podeestimar o atraso do sinal marcado. Esseprocesso é utilizado tanto no esquema deequalização quanto no de identificação utilizandomarca d'água (Figuras 1 e 2, respectivamente).

Figura 1 Esquema de equalização utilizandomarca d'água com sincronização

Figura 2 Esquema de identificação utilizandomarca d'água com sincronização

Para cada janela de análise, o algoritmoadaptativo recebe do esquema de sincronismo ainformação do atraso ótimo do sistema, expressopor um deslocamento d . A sequência detreinamento, que corresponde a um bloco damarca d'água, deve ter comprimento suficientepara que a sua autocorrelação se aproxime deuma função impulso, ou seja, o bloco deve tercaracterísticas próximas às de um sinal branco.Como a marca d'água está presente ao longo detodo o sinal de informação, o sistema é capaz derastrear o sincronismo de forma contínua,identificando rapidamente deslocamentos damarca caso o sistema perca o sincronismo.O detector da marca d'água, ilustrado naFigura 3, opera com base em um processo decorrelação linear. O correlator calcula acorrelação entre uma janela do sinal marcadodistorcido pelo canal ( )x n e um bloco da marca

d'água original ( )m n , conhecido no receptor. Ométodo de sincronização mais imediato consisteem adotar como deslocamento ótimo d odeslocamento correspondente ao pico decorrelação para cada janela de análise; noentanto, como será visto mais adiante, esse



método está sujeito a fortes interferências deruído, sobretudo no caso em que a marca d'águaé muito menos potente do que o sinal deinformação. Métodos mais elaborados e quereduzem a interferência do ruído nasincronização serão apresentados nas próximasseções.

Figura 3 Esquema do detector da marca d'água

2 Métodos de sincronização

Para encontrar o deslocamento correspondenteao sincronismo da marca d'água no sinalrecebido, considera-se a marca como umasequência de treinamento conhecida e presenteao longo de todo o sinal. Nesse contexto, serãoanalisadas duas abordagens para esseproblema. A primeira abordagem baseia-se no uso de umamarca d'água construída através da replicaçãode um único bloco de sinal obtido a partir de umasequência pseudoaleatória. Como esse bloco éconhecido no receptor, é possível calcular acorrelação entre o sinal recebido e o blocooriginal por meio de uma janela deslizante deanálise; com isso, constrói-se uma matriz quecontém os valores de correlação cujas linhas ecolunas correspondem ao deslocamento dajanela deslizante e ao número da janela deanálise, respectivamente. Observando-se osvalores máximos de correlação para as janelas,definem-se os deslocamentos ótimos referentesao sincronismo da detecção da marca. A segunda abordagem utiliza uma marca d'águaconstruída por meio da concatenação de vetoresde um codebook em uma ordem determinada(conhecida no receptor). Além da matriz quecontém valores de correlação, constrói-se outramatriz contendo o símbolo correspondente aovetor do codebook que apresenta a maiorcorrelação com a janela deslizante. Paradeterminação do sincronismo, são consideradosos valores de correlação e a observância dasequência apropriada de símbolos do codebook.

2.1 Sequência de blocos

Nesta abordagem, tanto a sincronização inicialcomo a ressincronização contínua da detecçãoda marca d'água são obtidas por meio de uma

sequência de treinamento conhecida peloreceptor, correspondente às amostras quecompõem um bloco da marca d'água. Essasamostras são provenientes de uma sequênciapseudoaleatória escalonada. O bloco da marcad'água contém N amostras, apresentandocaracterísticas próximas às de um sinal branco.A marca d'água é construída por meio dasucessão de múltiplas cópias desse bloco. Essaestrutura é ilustrada na Figura 4.

Figura 4 Estrutura de dados para sincronização1

O bloco da marca d'água é dado por:

( ) ( ) ( )0 , 1 , , 1m m m Nα α α α= − m L (1)

onde N expressa a quantidade de amostras nobloco e { }0,1α ∈ é a estimativa do fator deatenuação aplicado à sequência pseudoaleatóriapara obter-se a relação desejada entre aspotências do sinal e da marca d'água (Signal-to-Watermark Ratio – SWR). A janela de análisetem o mesmo comprimento do bloco.O instante em que começa um bloco éinicialmente desconhecido. Na detecção, umajanela deslizante é utilizada para calcular 2Λmedidas de correlação entre o sinal recebido

( )x n e as amostras do bloco da marca d'água

( )m nα para cada janela de análise:

( ) ( ) ( )1

0

,N

nr j x jN n m nαλ λ

−

=

= + +∑ (2)

onde [ ], 1λ ∈ −Λ Λ − é o deslocamento da janeladeslizante e j representa o número da janela deanálise. Esse processo é ilustrado na Figura 5.Com isso, pode-se construir uma matriz

{ }, jaλ=A que contenha as correlaçõescalculadas e cujas linhas e colunascorrespondam ao deslocamento λ e à posiçãoj de cada janela de análise, respectivamente.

Para que todos os possíveis deslocamentos damarca d'água sejam analisados, deve-se ter

/ 2NΛ = (com N par). No entanto, caso hajasegurança de que o sistema se encontra próximodo sincronismo e se deseje apenas refinar essasituação, pode-se utilizar um valor menor paraΛ , economizando recursos computacionais.

____________________________________________________________________

1 O bloco cinza corresponde ao bloco formado por símbolos pseudoaleatórios; a sucessão de blocos corresponde à marca d'água.



Figura 5 Cálculo de correlação para sincronismo

Pelo fato de a marca d'água apresentar, emgeral, potência muito inferior à do sinal deinformação, picos espúrios de correlação (nãocorrespondentes ao deslocamento real da marcad'água) podem surgir na matriz A . Por isso,para cada janela de análise, a simples escolhado deslocamento da janela deslizantecorrespondente à máxima correlação pode levara resultados bastante ruins, conforme ilustradona Figura 6. A interferência do sinal deinformação pode ser reduzida por meio demétodos de sincronização que levem em contavárias janelas de sinal simultaneamente, comodiscutido a seguir.

Figura 6 Deslocamentos de janela deslizantecorrespondente à máxima correlação para o bloco

da marca d'água2

Serão apresentados nas Seções 3.1 e 3.2 doisalgoritmos capazes de determinar um caminhocom base na matriz A correspondente aosdeslocamentos ótimos da marca d'água, partindoda primeira coluna da matriz ( 0j = ) até a última( 1j J= − ). O número J de janelas do sinalrecebido que devem ser acumuladas paraanálise simultânea pelos algoritmos desincronização dependerá de cada aplicação;quanto maior esse número, mais precisa tende aser a determinação do sincronismo da marca,porém maior será o atraso para que esseresultado seja obtido. O primeiro algoritmoapresentado baseia-se no cálculo da média entrejanelas de análise, enquanto o segundo emprega

um método de programação dinâmica. Osalgoritmos definirão os deslocamentos ótimoscorrespondentes ao sincronismo da marcad'água, resultando em um conjunto de J valores

para λ , 0 1ˆ ˆ

Jλ λ − K , referentes a cada janela de

análise.

2.2 Sequência de símbolos de codebook

Uma abordagem para aumentar a robustez nasincronização da marca d'água foi proposta porGomes, Gómez e Moreau (2001). Em vez de umúnico bloco, como apresentado na seçãoanterior, um codebook C é usado para gerar amarca d'água digital ( )w n . Esse codebookcontém k vetores

( ) ( ) [ ]( )0 1 0, 1k k ku u N k K= − ∈ − u L

associados a K símbolos. A sequência desímbolos [ ]0 1Mz z −=z L que compõem a marcad'água é obtida de acordo com a regra

modjz j K= (3)

onde jz é o j -ésimo símbolo na sequência da

marca d'água ( [ ]0, 1j J∈ − ), sequência estacompletamente conhecida no detector. A marcad'água ( )w n é construída por meio daconcatenação dos vetores associados aossímbolos na sequência z .Na detecção, uma janela deslizante é usada paracalcular 2Λ medidas de correlação entre o sinalrecebido ( )x n e cada um dos K vetores nocodebook C , para cada janela de análise(correspondente a um dos J símbolos presentesna marca d'água):

( ) ( ) ( )1

0, ,

N

kn

r k j x jN n u nλ λ−

=

= + +∑ (4)

onde [ ], 1λ ∈ −Λ Λ − é o deslocamento da janeladeslizante e j é o número da janela de análise.Selecionando-se os símbolos do codebook queapresentam máxima correlação com o sinalrecebido para cada janela de análise, podem-seconstruir as matrizes { }, jaλ=A e { }, jbλ=B ,cujas linhas e colunas correspondem,respectivamente, ao deslocamento λ e àposição j de cada janela de análise:

( ), max , ,j ka r k jλ λ= (5)

( ), arg max , ,j kb r k jλ λ= (6)

__________________________________________________________________

2 Para ilustrar a perda de sincronismo, 5 amostras foram removidas a cada 200 janelas.



Dessa forma, A conterá as maiores medidas decorrelação para cada deslocamento da janeladeslizante e cada posição na sequência desímbolos que compõem a marca d'água, e Bconterá o símbolo do codebook Ccorrespondente à máxima correlação.Como na abordagem apresentada na seçãoanterior, deve-se ter / 2NΛ = (supondo N par)para que todos os possíveis deslocamentos damarca d'água sejam analisados, podendo-seutilizar valores menores para Λ (com economiade recursos computacionais), caso o sistema jáesteja próximo ao sincronismo e haja interesseapenas em refinar essa situação.Será apresentado na Seção 3.2 um algoritmocapaz de determinar um caminho ótimo nasmatrizes A e B , partindo da primeira coluna( 0j = ) até a última ( 1j J= − ), levando emconta a ordem esperada de símbolos na marcad'água e as medidas máximas de correlação.Isso resulta em um conjunto de J valores para

λ , 0 1ˆ ˆ

Jλ λ − K , um para cada janela de análise.

Como ilustração, um exemplo de possívelcaminho ótimo na matriz B é apresentado naFigura 7.

Figura 7 Exemplo de possível caminho ótimo namatriz B

3 Algoritmos de sincronização

Esta seção apresenta dois métodos desincronização para sistemas de filtragemadaptativa empregando marca d’água. Ambos osmétodos são baseados no uso de sequências detreinamento embutidas na marca d’água erevertem os efeitos de uma ampla classe deataques de dessincronização.

3.1 Sincronização por média de janelas deanálise

A maneira mais imediata para determinar umcaminho através da matriz A , correspondenteaos deslocamentos estimados para a marcad'água em cada janela de análise, é calcular umamédia linear entre t diferentes colunas doconjunto de janelas J . Para cada janela, éescolhido o deslocamento associado à maiorcorrelação média. Mesmo que haja picosespúrios de correlação, estes tenderão a serneutralizados com o cálculo da média, porapresentarem-se de forma aleatória e não

polarizada. O algoritmo de sincronizaçãoresultante é descrito a seguir:

( )

( ) ( )( )

,

´

Para 0 1Para 1

0Para 0

ˆ arg max ´j i

j

j J t

Ii tI I a

Iλ

λ

λλ

λ λ

λ λ+

= − −= −Λ Λ −

==

= +

=

L

L

L

O resultado do algoritmo é um conjunto dedeslocamentos 0 1

ˆ ˆJ tλ λ − −

K correspondentes

ao caminho ótimo segundo o critério adotado.Esse método tende a funcionar bem para valoresbaixos de SWR, para os quais há relativamentepoucos picos espúrios de correlação. Quando osistema trabalha com valores maiores de SWR, aquantidade de picos espúrios crescerapidamente; para que a média entre janelas sejacapaz de eliminá-los, podem ser necessáriosvalores de t elevados, acarretando atrasossignificativos para o sistema e reduzindo o seutempo de resposta. Tais atrasos podem serimpraticáveis, sobretudo em sistemas de temporeal que requeiram uma constante verificação desincronismo. Em particular, esse método podeser interessante para a sincronização inicial dosistema, na qual um certo atraso geralmentepode ser tolerado.

3.2 Sincronização por programação dinâmica

A seguir serão propostas duas funções custopara sincronismo da marca d'água utilizando umalgoritmo de otimização baseado emprogramação dinâmica.

3.2.1 Função custo para sequência deblocos

Para determinar os deslocamentos da janeladeslizante que levam ao melhor alinhamento como sinal recebido, pode-se utilizar um algoritmo deprogramação dinâmica (FORNEY, 1973;BERTSEKAS, 2000).Define-se um estado do algoritmo de otimizaçãocomo um par ordenado [ ], jλ no qual o primeiroelemento corresponde a um deslocamento dajanela deslizante e o segundo, ao número dajanela de análise. Existe uma correspondênciadireta entre um estado do algoritmo e uma célulada matriz { }, jaλ=A definida na Seção 2.1. Oobjetivo do algoritmo é minimizar uma funçãocusto calculada em termos da matriz A . Comoresultado, obtém-se uma sequência de estadosque corresponde a um caminho ótimo através damatriz A , indicando o deslocamento da marca



d'água ( )0 1ˆ ˆ

Jλ λ − K para cada janela de

análise.A função custo ( ), ,́c jλ λ para passar do

estado [ ],́ 1jλ − ao estado [ ], jλ é compostapor dois termos:

( ) ( ) ( )1 2, ,́ , ,́ ,c j c j c jλ λ λ λ λ= + (7)

O primeiro termo penaliza mudanças no valor dodeslocamento λ :

( ) ( )21 , ,́ ´jc jλ λ η λ λ= − (8)

O objetivo desse termo é evitar deslocamentosespúrios provocados por picos aleatórios decorrelação; em particular, o deslocamento devepermanecer inalterado quando o sistema seencontra sincronizado. O termo quadrático impõeuma penalidade que aumenta rapidamente como tamanho do salto de λ para ´λ , significandoque o algoritmo privilegia mudanças suaves dedeslocamento em detrimento de mudançasab-ruptas (menos comuns na prática). O fator jηé definido como:

( )1 1

1 2 0

´

max ,j

jj

se

outro

η κ λ λη

η κ η−

−

+ ≠= −

(9)

sendo 1κ , 2κ e 0η constantes positivas. Essadefinição penaliza caminhos em zigue-zague,pois jη tende a crescer em tal situação.O segundo termo na definição da função custoestá relacionado às medidas de correlaçãopresentes na matriz A :

( ) ,2

,

, 1max

j

j

ac j

aλ

λ λ

λ ρ

= − % %

(10)

onde ρ é uma constante positiva. A expressãoentre parênteses assume valores entre 0(quando o deslocamento λ corresponde aomaior valor de correlação) e 1 (quando acorrelação para um deslocamento λ é nula).Essa definição penaliza deslocamentos λ queapresentem baixos valores de correlação.

3.2.2 Função custo para sequência desímbolos de codebook

Neste caso, além da matriz { }, jaλ=A , oprocesso de otimização leva em conta também amatriz { }, jbλ=B , ambas definidas na Seção 2.2.Como na seção anterior, o objetivo é obter umasequência de estados do algoritmo que indique o

deslocamento da marca d'água ( )0 1ˆ ˆ

Jλ λ − K

para cada janela de análise, correspondendo aum caminho ótimo através das matrizes A e B .A função custo ( ), ,́c jλ λ para passar do

estado [ ],́ 1jλ − ao estado [ ], jλ é composta,neste caso, por três termos:

( ) ( ) ( ) ( )1 2 3, ,́ , ,́ , , ,́c j c j c j c jλ λ λ λ λ λ λ= + +(11)

Os dois primeiros termos são idênticos aosdefinidos na função custo da Equação 7. Oterceiro termo, responsável por penalizar a nãoobservância da sequência de símbolos quecompõem a marca d'água, é definido como:

( )( )( )

, ,́ 1 , ,́ 1

3

, ,́ 1

1, ,́

1

j j j j

j j

b b se b bc j

b b K outros valores

λ λ λ λ

λ λ

ψλ λ

ψ− −

−

− − ≥= − − +

(12)onde ψ é uma constante e K , o número devetores do codebook. Se a sequência desímbolos da marca d'água é respeitada, essecusto é nulo; caso contrário, o custo éproporcional à quantidade de símbolos faltantesem relação à sequência esperada. Essadefinição se justifica pelo fato de que, em geral, aperda de uma pequena quantidade de símbolos émais comum do que a perda de longos trechosde sinal, devendo-se portanto privilegiar assequências de estados correspondentes aoprimeiro caso no algoritmo de otimização.

3.2.3 Algoritmo de otimização

Define-se o custo acumulado ( ),C jλ como o

custo mínimo para se atingir o estado [ ], jλpartindo de um estado na primeira coluna( )0j = . Esse custo é inicializado em 0 para

0j = e todo λ . O algoritmo de otimizaçãoempregado, baseado no algoritmo de Viterbi(FORNEY, 1973; BERTSEKAS, 2000), é descritoa seguir:

( ) ( )( ) ( ) ( )( )

( )

( )

'

1

1

Para 1 1Para 1

arg min ', 1 , ',

, , 1 , ,

,

ˆ arg min , 1

Para 2 0ˆ , 1

J

j j

j J

C j c j

C j C j c j

I j

C j

j J

I j

λ

λ

λλ λ λ λ

λ λ λ λ

λ λ

λ λ

λ λ

−

+

= −= −Λ Λ −

= − +

= − +

=

= − = −

= +

%

L

L

%

L

O resultado do algoritmo é um conjunto dedeslocamentos 0 1

ˆ ˆJλ λ −

K correspondentes ao



sincronismo da marca d'água para cada janelade análise.

4 Simulações e resultados

Para analisar o desempenho dos algoritmos desincronização propostos, dois sinais foramutilizados: o primeiro é um sinal digital,descorrelacionado, constituído de amostras i.i.d.(pertencente a uma constelação 2-PSK commódulo unitário) obtidas através da funçãorandsrc no software de simulação MATLAB; osegundo é um sinal de fala cantada fortementecorrelacionado: “svega”, uma versão à capela de“Tom's diner”, de Suzanne Vega, muito usadacomo referência em trabalhos de marca d'águade áudio (GOMES; GÓMEZ; MOREAU, 2001;GOMES et al., 2003). Considera-se que não háruído aditivo no sistema.Para ilustrar a perda de sincronismo, 5 amostrasforam retiradas do sinal a cada 200 janelas,forçando o sistema a ressincronizar a detecçãoda marca d'água. Dois cenários de teste foramutilizados: o primeiro, de baixa complexidade,viabiliza uma análise didática para melhorentendimento dos algoritmos de sincronismo; osegundo cenário, mais complexo, possibilita aanálise do desempenho dos algoritmos.Os dois métodos de sincronização propostosforam testados. O algoritmo de média de janelasutilizou o valor constante 10t = . A otimizaçãoatravés de programação dinâmica utilizou osvalores constantes ψ = Λ , 0 1η = , 1 5κ = ,

2 1κ = e 10ρ = . Esses parâmetros foramajustados empiricamente.

Primeiro ensaioNo primeiro ensaio, assumiu-se que o sinalmarcado não estava sujeito a distorçõesprovocadas por processos de filtragem. Nessecaso, a distorção limitou-se à supressãoperiódica de amostras do sinal. Com isso,buscou-se um ambiente que propiciasse umaanálise didática.Foram utilizadas janelas com comprimento

60N = , com um deslocamento máximo 30Λ =para a janela deslizante. Vale ressaltar que umajanela curta pode prejudicar a observação dascaracterísticas de descorrelação do sinal, cominfluência direta no cálculo da correlação,aumentando a quantidade de picos espúrios namatriz A . Essa escolha viabiliza a análise dainfluência de janelas curtas no cálculo dacorrelação.

Segundo ensaioAssumiu-se neste caso que o sinal marcadoestava sujeito a um processo de filtragem,modelado como um canal linear invariante notempo de fase não mínima, com a seguinte

função de transferência:

( ) 1 2 31 1 1, 2 0,3 0,8z z z z− − −Η = + − + (13)

Foram utilizadas janelas com comprimento512N = , com um deslocamento máximo256Λ = para a janela deslizante. Uma janela

com esse comprimento, bem mais longo do queno primeiro ensaio, pode permitir a observaçãode características próximas às de um sinalbranco. Essa escolha viabiliza a análise dejanelas longas no cálculo da correlação.

4.1 Resultados experimentaisSerão apresentados inicialmente os resultadosreferentes ao primeiro ensaio, permitindo umaanálise didática dos algoritmos propostos.As Figuras 8 e 9 apresentam os resultados paraum sinal digital utilizando os algoritmos propostoscom relações sinal-marca d'água de 10 e 20 dB,respectivamente. A primeira ilustração de cadafigura (8a e 9a) refere-se aos deslocamentos dajanela deslizante que produziram os maioresvalores de correlação entre o sinal recebido e amarca d'água original, obtidos a partir da matrizA . Notam-se diversos picos espúrios decorrelação que dificultam a determinação dosatrasos correspondentes ao sincronismo. ParaSWR = 10 dB, apesar da presença de váriospicos de correlação espúrios, ainda se podevisualizar de forma relativamente clara ospatamares de deslocamento correspondentes aosincronismo da marca. Já para SWR = 20 dB, ospicos espúrios tornam impossível determinar poranálise visual os deslocamentoscorrespondentes ao sincronismo da marca. Agrande quantidade de picos espúrios édecorrente do tamanho relativamente curto dasjanelas de análise neste ensaio, além da baixapotência apresentada pela marca.As Figuras 8b e 9b correspondem ao resultadodo algoritmo de média entre janelas de análise.Nota-se que, apesar de se tratar de um sinaldescorrelacionado, o método não foi capaz dedeterminar com exatidão os deslocamentoscorrespondentes ao sincronismo da marcad'água. Para SWR = 10 dB, o algoritmoidentificou um deslocamento inexistente em tornoda janela 390; já para SWR = 20 dB, o resultadomostra vários deslocamentos inexistentes, comum comportamento em zigue-zague. As Figuras 8c e 9c apresentam o resultado doalgoritmo de programação dinâmica utilizandouma sequência de blocos. Nesse caso, osresultados mostram que o algoritmo foi capaz derastrear o deslocamento correspondente aosincronismo da marca para as relaçõessinal-marca d'água utilizadas. No entanto, paraSWR = 20 dB, o algoritmo apresenta problemasnas transições entre deslocamentos, levandoalgum tempo para ajustar-se às novas condiçõesde sincronismo.



(a)

(b)

(c)

Figura 8 Desempenho dos algoritmos com sinaldigital (SWR = 10 dB) sem presença de distorções:(a) picos espúrios de correlação; (b) sincronizaçãopor média de janelas de análise; (c) sincronização

por programação dinâmica

(a)

(b)

(c)

Figura 9 Desempenho dos algoritmos com sinaldigital (SWR = 20 dB) sem presença de distorções:(a) picos espúrios de correlação; (b) sincronizaçãopor média de janelas de análise; (c) sincronização

por programação dinâmica



As Figuras 10 e 11 apresentam os resultadospara um sinal de fala fortemente correlacionadoutilizando os algoritmos propostos com relaçõessinal-marca d'água de 10 e 20 dB,respectivamente. Como no caso anterior, aprimeira ilustração de cada figura (10a e 11a)refere-se aos deslocamentos da janela deslizanteque produziram os maiores valores de correlaçãoentre o sinal recebido e a marca d'água original.No caso desse sinal, assim como na maioria dossinais de fala e áudio, a potência varia fortemente

ao longo do tempo, havendo inclusive trechos desilêncio. Nesses trechos, estabelece-se um limiarmínimo de potência para a marca d'água, obtidoempiricamente, que possibilita a sua detecçãosem introduzir um ruído demasiadamenteincômodo no sinal; como consequência, há umadiminuição momentânea da SWR, pois o áudiotem potência muito baixa3. Isso leva a umadetecção praticamente exata do sincronismonesses trechos.

(a)

(b)

(c)

Figura 10 Desempenho dos algoritmos com sinalde áudio (SWR = 10 dB) sem presença de

distorções: (a) picos espúrios de correlação; (b)sincronização por média de janelas de análise; (c)

sincronização por programação dinâmica

(a)

(b)

(c)

Figura 11 Desempenho dos algoritmos com sinalde áudio (SWR = 20 dB) sem presença de

distorções: (a) picos espúrios de correlação; (b)sincronização por média de janelas de análise; (c)

sincronização por programação dinâmica________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3 Para garantir a inaudibilidade da marca d'água, sua densidade espectral de potência deveria estar abaixo do limiar absoluto deaudibilidade em silêncio. Para mais detalhes, ver Uliani Neto (2008).



Com o algoritmo de média entre janelas deanálise, o desempenho geral é melhor do que oobtido com a simples maximização dacorrelação, mas notam-se vários deslocamentosnão correspondentes ao sincronismo da marca.Para SWR = 20 dB, alguns dos deslocamentosinexistentes são relativamente longos, o que sedeve à forte correlação do sinal de fala. AsFiguras 10 e 11 também mostram o resultado doalgoritmo de programação dinâmica utilizandosequência de blocos. Esse algoritmo apresentoubom resultado para ambas as SWRs.Passaremos agora à análise do segundo ensaio,com os sinais sujeitos a um processo defiltragem linear invariante no tempo de fase nãomínima.A Figura 12 apresenta os resultados para umsinal digital utilizando os algoritmos propostos.Como uma ideia fundamental no paradigma damarca d'água é a transparência, é apresentada asimulação para SWR = 20 dB, considerada umarelação suficiente para garantir transparência emsinais de áudio (ULIANI NETO, 2008; ULIANINETO; GOMES; ROMANO, 2009). A Figura 12a apresenta os deslocamentos dajanela deslizante que produziram os maioresvalores de correlação entre o sinal recebido e amarca d'água original, obtidos a partir da matrizA . Apesar de ter sido usado 256Λ = no cálculoda matriz A , é apresentado um zoom da figuraentre 25λ = − e 5λ = para facilitar avisualização. Devido à presença do canal linearde fase mista, o deslocamento correspondenteao melhor sincronismo da marca inicia-se em

1λ = (posição do coeficiente de maior amplitudedo canal), diferentemente do caso anterior, noqual se iniciava em 0λ = . No entanto, o canalinsere atrasos no sinal com soluções válidaspara o sincronismo que variam de 0λ = a 3λ = .Essa figura mostra que há uma concentração demáximos de correlação nessa faixa dedeslocamentos, embora existam vários picosespúrios. A Figura 12b apresenta o resultado do algoritmoutilizando média entre janelas. Nota-se que ométodo não foi capaz de determinar comexatidão o melhor sincronismo; entretanto, odeslocamento referente ao sincronismo da marcasalta entre as diferentes soluções válidasimpostas pelo canal. A Figura 12c mostra que o algoritmo deprogramação dinâmica utilizando sequência deblocos foi capaz de determinar os deslocamentoscorrespondentes ao melhor sincronismo para osinal digital. No entanto, apresentou problemasnas transições entre deslocamentos, levandoalgum tempo para ajustar-se à nova condição desincronismo. A Figura 12d mostra que o algoritmo deprogramação dinâmica utilizando sequência desímbolos de codebook foi capaz de rastrear o

melhor sincronismo de forma eficiente, inclusivenos momentos de transição.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 12 Desempenho dos algoritmos desincronismo com sinal digital (SWR = 20 dB) na

presença de sistema hostil: (a) picos espúrios decorrelação; (b) média de janelas; (c) programação

dinâmica utilizando bloco; (d) programaçãodinâmica utilizando codebook



A Figura 13 apresenta os resultados para o sinalde fala utilizando os algoritmos propostos. AFigura 13a apresenta os deslocamentos dajanela deslizante que produziram os maioresvalores de correlação entre o sinal recebido e amarca d'água original, obtidos a partir da matrizA , com SWR = 20 dB. Com o intuito de facilitara visualização, foi feito um zoom paradeslocamentos λ de 25− a 5 . Diferentementedo caso do sinal digital, a figura mostra que osvalores máximos de correlação para cada janelanão se concentram na faixa de valores de 0λ =a 3λ = , correspondentes aos sincronismosválidos. Isso ocorre devido ao fato de o sinal defala ser altamente correlacionado, levando a umaquantidade de picos espúrios de correlação aindamaior do que no caso anterior.A Figura 13b apresenta o resultado do algoritmo

utilizando média entre janelas. Vê-se que ométodo não foi capaz de determinar comexatidão o sincronismo da marca d'água. Ailustração mostra vários deslocamentosinexistentes. A Figura 13c mostra que o algoritmo deprogramação dinâmica utilizando sequência deblocos foi capaz de encontrar o deslocamentoreferente ao melhor sincronismo para o sinal defala. Contudo, apresentou problemas natransição de deslocamentos, também levandoalgum tempo para ajustar-se à nova condição desincronismo. Por fim, a Figura 13d mostra que o algoritmo deprogramação dinâmica utilizando sequência desímbolos de codebook foi capaz de rastrear omelhor sincronismo de forma eficiente, mesmocom um sinal fortemente correlacionado.

(a)

(c)

(b)

(d)

Figura 13 Desempenho dos algoritmos de sincronismo com sinal de fala (SWR = 20 dB) na presença desistema hostil: (a) picos espúrios de correlação; (b) média de janelas; (c) programação dinâmica utilizando

bloco; (d) programação dinâmica utilizando codebook



Conforme apresentado nos resultadosexperimentais, o método de sequência desímbolos de codebook foi capaz de identificar osdeslocamentos correspondentes ao sincronismoda marca d'água, tanto para sinais hospedeirosdescorrelacionados como para correlacionados.O sistema proposto fornece essesdeslocamentos para o filtro de equalização ouidentificação, permitindo que este convirja para amelhor solução de Wiener, correspondente aoatraso ótimo do sistema.As Figuras 14 e 15 apresentam os sistemascompletos de equalização e identificação,respectivamente, incluindo o método desincronização por sequência de símbolos decodebook.

Conclusão

Neste trabalho, foram apresentados doismétodos de sincronização aplicáveis aossistemas de equalização e identificaçãoadaptativos utilizando marca d'água. Os métodossão baseados em sequências de treinamentoconstituídas pela informação embutida na marcad'água e detectadas por meio de correlação.Esses métodos revertem os efeitos de umaampla classe de ataques de dessincronização,sendo capazes de monitorar o sincronismo

continuamente ao longo de todo o sinal recebido.Foram propostos dois algoritmos paradeterminação dos atrasos ótimos do sistema nocontexto de equalização e identificação decanais. O primeiro, que é uma contribuiçãoespecífica deste trabalho, baseia-se na médiaentre janelas de análise do sinal recebido. Osegundo, inicialmente proposto por Gomes,Gómez e Moreau (2001), baseia-se em umatécnica de programação dinâmica que leva emconta a correlação entre o sinal recebido e amarca d'água original, e introduz na função custoum termo que verifica se é respeitada umasequência de símbolos de codebook usada naconstrução da marca d'água.Nas simulações, foi abordado o caso dedistorções impostas pela transmissão do sinalmarcado através de um canal linear. Além disso,foi considerada a situação de perda esporádicade trechos do sinal transmitido. Os resultadosexperimentais mostram que os métodos forambem-sucedidos ao encontrar o atraso inicialrequerido para o sincronismo da marca d'água.O segundo método apresentado, baseado emprogramação dinâmica, foi também capaz deressincronizar continuamente o sinal recebido,corrigindo rapidamente perdas de sincronismocausadas por falhas no canal de comunicação.

Figura 14 Sistema completo de identificação utilizando marca d'água

Figura 15 Sistema completo de equalização utilizando marca d'água



Referências

BERTSEKAS, D. P. Dynamic Programming andOptimal Control. 2th ed. Noshua, USA: AthenaScientific, 2000. ISBN 1-886529-09-4.

FORNEY, G. D. The Viterbi algorithm.Proceedings of the IEEE, USA, v. 61,p. 268-278, 1973. ISSN: 0018-9219.

GOMES, L. C. T.; GÓMEZ, E.; MOREAU, N.Resynchronization methods for audiowatermarking. In: AUDIO ENGINEERINGSOCIETY (AES) CONVENTION, 111., 2001,Paris, France. Proceedings... 2001.Disponível em:<http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.18.4311>. Acesso em: 31 jan. 2011.

GOMES, L. C. T. et al. Audio watermarking andfingerprinting: for which applications? Journal ofNew Music Research, London, UK, v. 32, n. 1,p. 65-81, 2003.

GOMES, L. C. T.; ULIANI NETO, M.; ROMANO,J. M. T. Equalização e Identificação Adaptativaspara Áudio Utilizando Marca d'Água como Sinalde Supervisão. In: 6o CONGRESSO DEENGENHARIA DE ÁUDIO/12ª CONVENÇÃONACIONAL DA AES – BRASIL (AES 2008),2008, São Paulo. Anais... 2008.

GÓMEZ, E. Tatouage de signaux de musique(méthodes de synchronisation). 2000.Dissertação (Mestrado) – Université de laMéditerranée, Marseille, France, 2000.

HAYKIN, S. Adaptive Filter Theory. 4th ed. NewJersey, USA: Prentice Hall, 2001.

MOREAU, N.; DYMARSKI, P.; GOMES, L. C. T.Tatouage audio: une réponse à une attaquedésynchronisante. In: JOURNÉES D'ÉTUDES ETD'ÉCHANGES: COMPRESSION ETREPRÉSENTATION DES SIGNAUXAUDIOVISUELS (CORESA), 6., 2000, Poitiers.Annales... Poitiers, France. 2000.

ULIANI NETO, M. Equalização e IdentificaçãoAdaptativas Utilizando Marca d'Água comoSinal de Supervisão. 2008. Dissertação(Mestrado) – Faculdade de Engenharia Elétrica ede Computação, Universidade Estadual deCampinas, Campinas, 2008.

ULIANI NETO, M. et al. Adaptive EqualizationBased on Watermarking. In: VI INTERNATIONALTELECOMMUNICATIONS SYMPOSIUM(ITS2006), 2006, Fortaleza. Proceedings...2006.

ULIANI NETO, M; GOMES, L. C. T.; ROMANO,J. M. T. Métodos de Ressincronização paraSistemas de Equalização e IdentificaçãoUtilizando Marca d'Água Digital. In: XXVSIMPÓSIO BRASILEIRO DETELECOMUNICAÇÕES (SBrT 2007), 2007,Recife. Anais... 2007a.

______. Identificação Adaptativa SupervisionadaUtilizando Marca d'Água Digital. In: XXVSIMPÓSIO BRASILEIRO DETELECOMUNICAÇÕES (SBrT 2007), 2007,Recife. Anais... 2007b.

______. Equalização e identificação adaptativasde canais utilizando marca d’água. CadernosCPqD Tecnologia, Campinas, v. 5, n. 2,p. 37-56, jul./dez. 2009.

Abstract

For the watermark detection process to be efficient, synchronization of the watermark in the detector isrequired. Desynchronization effects can reduce detection performance, potentially making impracticablethe appropriate extraction of the information contained in the watermark. This work presents twosynchronization methods for adaptive filtering systems using a watermark. Both methods can reverse theeffects of a large class of desynchronization attacks. Simulation results are presented to illustrate theperformance of the proposed method.

Key words: Synchronization. Adaptive equalization. Adaptive identification. Digital watermark.


OpenFlow e redes definidas por software: umnovo paradigma de controle e inovação em

redes de pacotesChristian Esteve Rothenberg*, Marcelo Ribeiro Nascimento, Marcos Rogério Salvador, Maurício

Ferreira Magalhães**

Há algum tempo observa-se o surgimento da necessidade de maior abertura e flexibilidade dosequipamentos de rede, especialmente com o propósito de pesquisa e inovação. Os roteadores atuaisimplementam uma arquitetura composta por uma camada de software fechada, que é executada em umhardware proprietário. Esse modelo resulta em soluções de alto custo, dificulta a inserção de novasfuncionalidades e inviabiliza a experimentação de novas ideias. Com o avanço da padronização doprotocolo OpenFlow para programar o plano de encaminhamento dos equipamentos de redes depacotes, o conceito de redes programadas por software traz um novo paradigma de inovação cujopotencial disruptivo assemelha-se ao da introdução de sistemas operacionais em computadores e, maisrecentemente, em dispositivos móveis. Este artigo introduz os princípios da tecnologia OpenFlow eapresenta a arquitetura RouteFlow como exemplo de inovação para a função de roteamento em umambiente aberto (open source), executado sobre hardware comercial (commodity).

Palavras-chave: Redes de pacotes. Roteamento. Encaminhamento. Software livre. Virtualização.

Introdução

A infraestrutura das redes de pacotes écomposta, atualmente, por equipamentosproprietários, fechados e de alto custo, cujasarquiteturas básicas são concebidas a partir dacombinação de circuitos dedicados,responsáveis por garantir alto desempenho(Application Specific Integrated Circuit – ASIC),ao processamento de pacotes. A infraestrutura écomplementada por uma camada de software decontrole, responsável pelo suporte a umaextensa pilha formada por um número elevadode protocolos. No entanto, torna-se evidente anecessidade de especialização da lógica decontrole de acordo com cada tipo e objetivo derede. Porém, qualquer mudança de configuraçãoavançada do equipamento ou especialização dalógica de controle e tratamento dos pacotes ou,ainda, inserção de novas funcionalidades estãosujeitas a ciclos de desenvolvimento e de testesrestritos ao fabricante do equipamento,resultando em um processo demorado e custoso(HAMILTON, 2009). No âmbito da pesquisa,essas exigências são ainda maiores poisrequerem experimentações de novos protocolose funcionalidades da rede em condições reais,idealmente em ambientes “espalhados” da redeem operação (SHERWOOD et al., 2010).A ausência de flexibilidade no controle dofuncionamento interno dos equipamentos assimcomo o alto custo da infraestrutura vigente sãobarreiras para a evolução das arquiteturas e paraa inovação decorrente da oferta de novosserviços e aplicações de rede (ANWER et al.,

2010).Este artigo faz um levantamento do estado daarte da tecnologia OpenFlow como quebra deparadigma de controle em software (remoto) dosequipamentos de rede, habilitando o conceito deredes definidas por software. Como exemplo deutilização, apresenta-se um trabalho emdesenvolvimento, voltado para uma arquiteturade roteamento denominada RouteFlow(NASCIMENTO et al., 2011), cujo controle érealizado remotamente via software. Essaarquitetura é implementável em produtoscomerciais e utiliza ambientes de software dedomínio público para implementação das funçõesde controle.

1 Redes definidas por software

Apesar da evolução formidável da Internet, emtermos de penetração e de aplicações, suatecnologia, representada pela arquitetura emcamadas e pelos protocolos do modelo TCP/IP,não evoluiu suficientemente nos últimos vinteanos. A Internet tornou-se comercial e osequipamentos de rede tornaram-se “caixaspretas”, ou seja, implementações integradasverticalmente baseadas em software fechadosobre hardware proprietário. O resultado dessemodelo é o já reconhecido engessamento daInternet (CHOWDHURY; BOUTABA, 2009).Em contraste com o desenho da arquitetura daInternet, caracterizada por um plano de controle(PC) distribuído, os avanços na padronização deAPIs (Application Programming Interface)independentes do fabricante do equipamento

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected]. ** Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação – Unicamp.


OpenFlow e redes definidas por software: um novo paradigma de controle e inovação em redes de pacotes

(OPENFLOW, 2010; IETF, 2011) permitemmover grande parte da lógica de tomada dedecisão dos dispositivos de rede paracontroladores externos, que podem serimplementados com o uso da tecnologia deservidores comerciais (PCs), um recursoabundante, escalável e barato. Essa “lobotomia”da inteligência do equipamento da rede paracontroladores logicamente centralizadospossibilita a definição do comportamento da redeem software não apenas pelos fabricantes doequipamento, mas também por fornecedores oupelos próprios usuários, como, por exemplo,operadores de rede.

1.1 Arquiteturas de roteamento

Uma análise da arquitetura atual dos roteadores(Figura 1) permite observar que se trata de ummodelo formado basicamente por duas camadasbem distintas: o software de controle e ohardware dedicado ao encaminhamento depacotes (JUNIPER NETWORKS, 2010). Oprimeiro, encarregado de tomar as decisões deroteamento, transfere essas decisões para oplano de encaminhamento através de uma APIproprietária. A única interação da gerência com odispositivo ocorre através de interfaces deconfiguração (Web, SNMP, CLI, por exemplo),limitando o uso dos dispositivos àsfuncionalidades programadas pelo fabricante.É coerente pensar que se a arquitetura é,atualmente, composta por duas camadasautocontidas, elas não precisam estar fechadasem um mesmo equipamento. Para isso, bastaque exista uma forma padrão de se programar odispositivo de rede remotamente, permitindo quea camada de controle possa ser movida para umservidor dedicado e com alta capacidade deprocessamento. Desse modo, mantém-se o altodesempenho no encaminhamento de pacotes emhardware aliado à flexibilidade de se inserir,remover e especializar aplicações em softwarepor meio de um protocolo aberto paraprogramação da lógica do equipamento(Figura 1). Com esse propósito, nasceu oconsórcio OpenFlow (MCKEOWN et al., 2008),dando origem ao conceito de software-definednetworking – as redes definidas por software(GREENE, 2009).

Figura 1 Arquiteturas de roteadores: modelo atualmainframe e modelo programável OpenFlow

1.2 OpenFlow

O OpenFlow foi proposto pela Universidade deStanford para atender à demanda de validaçãode novas propostas de arquiteturas e protocolosde rede (incluindo as abordagens clean slate)sobre equipamentos comerciais. OpenFlowdefine um protocolo-padrão para determinar asações de encaminhamento de pacotes emdispositivos de rede, como, por exemplo,comutadores, roteadores e pontos de acessosem fio. As regras e ações instaladas nohardware de rede são responsabilidade de umelemento externo, denominado controlador, quepode ser implementado em um servidor comum,conforme Figura 2.

Figura 2 Exemplo de uma rede com OpenFlowhabilitado

A principal abstração utilizada na especificaçãoOpenFlow é o conceito de fluxo. Um fluxo éconstituído pela combinação de campos docabeçalho do pacote a ser processado pelodispositivo, conforme Figura 3. As tuplas podemser formadas por campos das camadas deenlace, de rede ou de transporte, segundo omodelo TCP/IP. Deve-se enfatizar que aabstração da tabela de fluxos ainda está sujeita arefinamentos, com o objetivo de oferecer umamelhor exposição dos recursos do hardware e,nesse caso, permitir a concatenação de váriastabelas já disponíveis, como, por exemplo,tabelas IP/Ethernet/MPLS. Nesse sentido, acontribuição mais importante do paradigma doOpenFlow é a generalização do plano de dados –qualquer modelo de encaminhamento de dadosbaseado na tomada de decisão fundamentadaem algum valor, ou combinação de valores, doscampos de cabeçalho dos pacotes pode sersuportado.

De forma pragmática, a especificação OpenFlow(OPENFLOW, 2010) procura reutilizar asfuncionalidades do hardware existente (por


Figura 3 Cabeçalhos disponíveis no OpenFlowpara a especificação de fluxos


exemplo, Access Control List – ACL em switchese roteadores para implementar serviços comoNAT, firewall e VLANs) através da definição deum conjunto simples de regras e das açõesassociadas: encaminhar, descartar, enviar para ocontrolador, reescrever campos do cabeçalho,etc.

1.2.1 Componentes

Basicamente, uma rede programável comOpenFlow consiste em equipamentos de redehabilitados para que o estado das tabelas defluxos possa ser instalado através de um canalseguro, conforme as decisões de um controladorem software:

1.2.1.1 Tabela de fluxosCada entrada na tabela de fluxos do hardware derede consiste em regra, ações e contadores.A regra é formada com base na definição dovalor de um ou mais campos do cabeçalho dopacote. Associa-se a ela um conjunto de açõesque definem o modo como os pacotes devem serprocessados e para onde devem serencaminhados. Os contadores são utilizadospara manter estatísticas de utilização e pararemover fluxos inativos. As entradas da tabela defluxos podem ser interpretadas como decisõesem cache (hardware) do plano de controle(software), sendo, portanto, a mínima unidade deinformação no plano de dados da rede.

1.2.1.2 Canal seguroPara que a rede não sofra ataques de elementosmal-intencionados, o canal seguro garanteconfiabilidade na troca de informações entre oswitch e o controlador. A interface de acessorecomendada é o protocolo SSL (Secure SocketLayer). Interfaces alternativas (passivas ouativas) incluem TCP e pcap (packet capture), esão especialmente úteis em ambientes virtuais eexperimentais pela simplicidade de utilização,pois não necessitam de chaves criptográficas.

1.2.1.3 Protocolo OpenFlowProtocolo aberto para comunicação que usa umainterface externa, definida pelo OpenFlow para atroca de mensagens entre os equipamentos derede e os controladores. Essas mensagenspodem ser simétricas (hello, echo vendor),assíncronas (packet in, flow removed, portstatus, error) ou, ainda, iniciadas pelo controlador(features, configuration, modify state, sendpacket, barrier).

1.2.1.4 ControladorÉ o software responsável por tomar decisões eadicionar e remover as entradas na tabela defluxos, de acordo com o objetivo desejado.O controlador exerce a função de uma camadade abstração da infraestrutura física, facilitando a

criação de aplicações e serviços que gerenciemas entradas de fluxos na rede. Esse modeloassemelha-se a outros sistemas de software queproveem abstração do hardware e funcionalidadereutilizável. Dessa forma, o controladorOpenFlow atua como um sistema operacional(SO) para gerenciamento e controle das redes, eoferece uma plataforma com base na reutilizaçãode componentes e na definição de níveis deabstração (comandos da API). Contudo, novasaplicações de rede podem ser desenvolvidasrapidamente (GUDE et al., 2008).A programabilidade do controlador permite aevolução em paralelo das tecnologias nos planosde dados e as inovações na lógica dasaplicações de controle. A Figura 4 mostra umaabstração de uma rede com OpenFlow e ocontrolador NOX executando inúmerasaplicações que necessitam de uma visão doestado da rede (network view). Essa visão podeser armazenada, por exemplo, em um simplesbanco de dados executado localmente ou em umservidor remoto.

Figura 4 Elementos de uma rede OpenFlow

1.2.2 OpenFlow em ação

Quando um pacote chega a um equipamentocom OpenFlow habilitado, os cabeçalhos dopacote são comparados às regras das entradasdas tabelas de fluxos, os contadores sãoatualizados e as ações correspondentes sãorealizadas. Se não houver correspondência entreo pacote e alguma entrada da tabela de fluxos, opacote é encaminhado, por completo, aocontrolador. Alternativamente, apenas ocabeçalho é encaminhado ao controladormantendo o pacote armazenado no buffer dohardware. Normalmente, os pacotes que chegam aocontrolador correspondem ao primeiro pacote deum novo fluxo ou, em função do tipo de pacote eda aplicação, o controlador pode optar porinstalar uma regra no switch para que todos ospacotes de determinado fluxo sejam enviadospara o controlador para serem tratadosindividualmente. Esse último caso corresponde,em geral, a pacotes de controle (ICMP, DNS,DHCP) ou de protocolos de roteamento (OSPF,BGP).Como exemplo de fluxo, têm-se todos os pacotes



em uma faixa de endereços IP ( roteamento IPtradicional), uma conexão TCP em uma portaespecífica ou, ainda, todos os pacotespertencentes a uma mesma VLAN. As açõesassociadas aos fluxos incluem:

a) encaminhar o fluxo de pacotes paradeterminada porta (ou portas);

b) modificar os campos do cabeçalho;c) encapsular e transmitir o pacote para o

controlador;d) descartar os dados, como medida de

segurança, com a implementação defirewalls, ou ainda para inibir ataques denegação de serviço;

e) encaminhar o pacote para oprocessamento normal do equipamentonas camadas 2 ou 3.

O último item garante que o tráfego experimentalnão interfira no processamento-padrão do tráfegode produção. Conforme ilustrado na Figura 5,outra forma de garantir isso é definir um conjuntode VLANs para fins experimentais. Essasegmentação do tráfego permite terequipamentos híbridos que processem tráfegolegado conforme os protocolos e asfuncionalidades embarcadas no equipamento e,ao mesmo tempo e de forma isolada, obtertráfego baseado na programabilidade doOpenFlow.

Figura 5 Modelo de operação híbrido com VLANsisolando tráfego legado e OpenFlow

Na versão 1.1 do protocolo OpenFlow (ainda sobespecificação), está sendo considerado o suportea múltiplas tabelas de fluxos concatenadas(Figura 6) mediante um novo conjunto deinstruções (Go-to-Table, Write-Metadata), bemcomo novas ações (copy/decrement TTL,push/pop tag, QoS) e campos de cabeçalho(VLAN priority, MPLS label/traffic class, SCTPport) para uma definição ainda mais completados fluxos e do conjunto de ações associadas.

Figura 6 Diagrama detalhando o tratamento de umpacote no pipeline de um switch OpenFlow

1.2.3 Fatores críticos de sucesso

Existem quatro razões fundamentais quecontribuem para a aceitação da tecnologiaOpenFlow:

a) o OpenFlow pode ser incorporado emequipamentos de rede (roteadores,switches, pontos de acesso Wi-Fi)comerciais, atualmente, em operação, semmodificação do hardware e mediante umaatualização do firmware, garantindo odesempenho de tecnologias consolidadasno encaminhamento de pacotesIP/Ethernet, como, por exemplo, ASICs,FPGAs, etc.;

b) o protocolo OpenFlow separa o plano decontrole do plano de dados, permitindo autilização de controladores remotosbaseados em servidores com sistemasoperacionais e linguagens de programaçãocomuns na indústria de TI. O software docontrolador é responsável por definir omodo como os fluxos de pacotes sãoencaminhados e processados na rede.Isso permite que o controle sobre o planode dados seja "terceirizado" apesquisadores, sistemas de gerência,desenvolvedores, operadores de rede,plataformas de serviços e, até mesmo, àspróprias aplicações finais, como, porexemplo, servidores de conteúdo ouserviços em nuvem. Dessa forma, ocontrole da rede deixa de estar embarcadonos equipamentos e limitado porimplementações e padrões com mais de15 anos de existência;

c) o OpenFlow não dependente da formacomo o software controla a rede, e ofereceum simples serviço de encaminhamentomulticamada (L1-L4) orientado a fluxosdefinidos por qualquer combinação demais de 20 cabeçalhos-padrão. Uma redeOpenFlow permite a definição de fatias derede (slices ou flow-spaces), com garantiade isolamento entre os diferentescontroladores que operam sobre a rede,permitindo que o tráfego operacional(conforme os protocolos tradicionais) e otráfego experimental (conforme definidopelo usuário/operador da rede) operem emparalelo;

d) o OpenFlow é compatível com a Internetatual, cujo tráfego pode continuar emoperação em uma ou mais fatias da redeOpenFlow.

Todos os argumentos citados, anteriormente,apontam o OpenFlow como uma tecnologiainovadora que abre uma série de oportunidadesde desenvolvimento tecnológico na área dasredes de pacotes. Com a consolidação dastecnologias de equipamentos programáveis emsoftware no padrão OpenFlow, ou tecnologias



similares, o conceito de redes definidas porsoftware envolve novos paradigmas de gerênciaintegrada, inovação em protocolos e serviçosbaseados em recursos de redes virtualizados,como, por exemplo, Network as a Service(CHOWDHURY; BOUTABA, 2009; KELLER;REXFORD, 2010).

1.3 Mercado e cenários de aplicação

Os fatores apontados anteriormente e o potencialdisruptivo da tecnologia OpenFlow têm atraído aatenção da indústria, o que tem se traduzido:

a) no desenvolvimento dos primeiros protótiposcom suporte ao OpenFlow (HP, NEC,Extreme, Arista, Ciena, Juniper, Cisco);

b) no suporte dos fornecedores deprocessadores em silício (Broadcom,Marven);

c) na criação de novas empresas (Nicira, BigSwitch Networks); e

d) no interesse de operadoras, como DeutscheTelekom e Docomo, e provedores deserviços em nuvem, como Google,Facebook e Amazon).

Entre os vários cenários de rede em que aadoção da tecnologia OpenFlow traz aspectospromissores, vale destacar:

a) redes corporativas: novos mecanismos decontrole de acesso e segurança, gerênciaintegrada de rede cabeada e sem fio,configuração de VLANs, suporte àmobilidade, etc. (CASADO et al., 2007);

b) backbone: convergência de redes depacotes e circuitos, (Figura 7), como, porexemplo, agregação e gerência dinâmica eflexível do tráfego, novos mecanismos deroteamento e engenharia de tráfego erecuperação de falhas; balanceamento dotráfego Web; mobilidade de máquinasvirtuais; etc. (GUDLA et al., 2010);

c) redes celulares: uso transparente dediversas redes de acesso(Wi-Fi/3G/WiMAX), separação do provedorde infraestrutura do provedor de serviços(por exemplo, virtual network operators),etc. (YAP et al., 2010);

d) data center: técnicas de conservação deenergia, engenharia de tráfego, roteamentoplano e multicaminho, suporte àvirtualização de hosts e software switches(KOPONEN et al., 2010);

e) redes domésticas: terceirização(outsourcing) da gerência de rede,compartilhamento da rede com váriosprovedores de serviços e usuários, como,por exemplo, Open Wi-Fi, e gerência deenergia com medidores inteligentes, comosmart grid;

f) redes de ensino e pesquisa: infraestruturade experimentação de novas arquiteturas derede e paradigmas de encaminhamento depacotes, compartilhamento de umainfraestrutura experimental multicamada,multidomínio e multitecnologia, validaçãosobre hardware comercial, etc.

Fonte: GUDLA et al., 2010

Figura 7 Rede híbrida com switches TDM, WDM eroteadores IP controlados por OpenFlow (NOX),que implementa as funcionalidades em software

2 Arquitetura RouteFlow

O RouteFlow é uma proposta de oferta deserviços de roteamento IP remoto de formacentralizada, e que visa um desacoplamentoefetivo entre o plano de encaminhamento e oplano de controle (ROUTEFLOW, 2011). Oobjetivo é tornar as redes IP mais flexíveis pelafacilidade de adição, remoção e especializaçãode protocolos e algoritmos. O RouteFlowarmazena a lógica de controle dos switchesOpenFlow na infraestrutura de rede, através deuma rede virtual composta por máquinas virtuais(MV), cada uma executando um código (engine)de roteamento de domínio público (open source).Essas MVs podem ser interconectadas demaneira a formar uma topologia lógica,espelhando a topologia de uma rede físicacorrespondente ou uma topologia virtualsimplificada. O ambiente virtual é armazenadoem um servidor externo, ou um conjunto deles,que se comunicam com os equipamentos doplano de dados através de um controladorOpenFlow, que transporta para o plano deencaminhamento as decisões tomadas pelosprotocolos de roteamento no plano de controle(OSPF, BGP, RIP). A Figura 8 ilustra umasub-rede com switches programáveis, em que alógica de roteamento é implementada no servidorRouteFlow. O resultado consiste numa solução flexível dealto desempenho e comercialmente competitiva,a partir da combinação de recursos disponíveis,como, por exemplo:

a) switches programáveis de baixo custo esoftware embarcado reduzido (OpenFlow);

b) pilhas de protocolos de roteamento opensource (QUAGGA, 2009; XORP, 2011); e



c) servidor de prateleira de alto poder deprocessamento e, também, de baixo custo.

Cabe ressaltar que, apesar de o controle estarfisicamente centralizado, ele continua distribuídologicamente. Dessa forma, não é necessáriaqualquer alteração dos protocolos de roteamentoexistentes. Além disso, a solução pode tornar-semais escalável no futuro, com o uso de váriosservidores de alto desempenho.

2.1 Blocos funcionais

Uma visão global dos principais componentes doRouteFlow pode ser observada na Figura 9. Aseguir, apresenta-se a descrição de cada um doscomponentes da arquitetura proposta.

Figura 9 Componentes da solução RouteFlow

2.1.1 RouteFlow-Slave (RF-S)

Cada MV do plano de controle executa umprocesso (daemon) responsável pelas seguintesfunções:

a) registrar a MV no controlador como recursoda topologia virtual, sendo que a MV setorna um recurso disponível para serutilizado na representação de um roteador;

b) gerenciar as interfaces de rede do sistema(portas do roteador);

c) detectar as atualizações das tabelasAddress Resolution Protocol (ARP) e de

roteamento do sistema; e d) converter rotas em fluxos a serem

instalados no plano de dados por meio daAPI do OpenFlow.

Pacotes de protocolos – e outros, cujos destinossejam o próprio roteador – são encaminhados erecebidos pela MV para processamento (ARP,ICMP, Telnet, SSH, OSPF, RIP, etc.). PacotesARP e ICMP, por exemplo, são tratados pelapilha TCP/IP do Linux, enquanto pacotes deprotocolos são utilizados pela engine deroteamento para cálculo de rotas. Oprocessamento no caminho inverso ocorre domesmo modo. Concomitantemente aoprocessamento de pacotes da MV, ummecanismo de polling executa a tarefa deverificar as tabelas ARP e ROUTE do sistemaem busca de atualizações que devem serreproduzidas no plano de dados. Quandoatualizações são detectadas, as modificaçõescorrespondentes são convertidas na instalaçãoou remoção de fluxos da tabela do elemento deencaminhamento atribuído à MV.

2.1.2 RouteFlow-Controller (RF-C)

É o componente central da arquitetura proposta.Como o próprio nome sugere, trata-se de umafunção de controle que conecta todos oselementos do plano de dados e as MVs do planode controle. As principais funções do RF-C são:

a) registrar-se no controlador de rede paraeventos de recebimento de pacotes,conexão e desconexão de switches;

b) registrar os recursos (MVs) disponíveis natopologia virtual;

c) fazer a configuração do software switchpara montar a topologia lógica da rede;

d) gerenciar o mapeamento entre switchesOpenFlow e MVs;

e) instalar/remover fluxos OpenFlow dosswitches do plano de dados.

A vinculação das máquinas virtuais aos switchesdo plano de dados pode ser feita estaticamenteatravés de um arquivo de configuração, quepermite configurar uma topologia virtualindependentemente da topologia física.Alternativamente, a configuração pode serdinâmica, com base em um mecanismo dedescoberta de topologia governado pelocontrolador de rede. Nesse último caso, a redevirtual será uma réplica da topologia física. Outrapossibilidade consiste em agregar um conjuntode nós físicos, como, por exemplo, switchstacking/trunking, em uma única MV no planovirtual, ou ter várias engines de roteamentoatuando sobre um mesmo elemento físico – oque remete ao conceito de roteadores virtuais,em que múltiplos planos de controle comobjetivos diferentes compartilham o mesmosubstrato hardware de rede (CHOWDHURY;BOUTABA, 2009).


Figura 8 Visão geral do RouteFlow


2.1.3 RouteFlow-Protocol (RF-P)

Protocolo desenvolvido na arquitetura propostapara a comunicação entre os componentes doRouteFlow. Nele, estão definidas as mensagense os comandos básicos para conexão econfiguração das MVs e, também,gerenciamento das entradas de roteamento emhardware. Entre os campos da mensagem-padrão estão: identificação do controlador,identificação da MV, tipo da mensagem,comprimento e dados.

3 Avaliação do protótipo RouteFlow

O RF-Controller foi implementado em C++ comouma aplicação do controlador open source NOX(2011). Como engine de roteamento, foi utilizadoo Quagga (2009), uma conhecida solução deroteamento open source com suporte aosprincipais protocolos de roteamento (RIP, OSPF,BGP). Como plataforma para programaçãoremota dos equipamentos de rede, utilizou-se aversão 1.0 da tecnologia OpenFlow, cujavantagem é sua abordagem multifornecedor.Isso significa que ele não depende do fabricantee do modelo do equipamento que compõe arede. Desde que haja suporte ao protocoloOpenFlow, não são necessárias mudanças nocontrolador nem nas aplicações de rede queexecutam sobre ele. A infraestrutura do plano dedados do protótipo é formada por NetFPGAs,que são hardware programáveis com quatrointerfaces de rede Gigabit e com móduloOpenFlow. A escolha da plataforma NetFPGA sedeu pela flexibilidade de programação do planode encaminhamento e pela taxa deprocessamento de pacotes em Gigabits.Também foi usado o switch L2/L3 CPqDEnterprise, baseado em um ASIC da Broadcomcom 24 portas de 1 Gbit/s e 2 de 10 Gbit/s.Devido ao número de equipamentos disponíveiscom suporte ao OpenFlow, por se tratar de umambiente real e não simulado, as redes testadasapresentam um número limitado de nós.Entretanto, a quantidade de nós é suficiente parauma avaliação de viabilidade da proposta,através da análise detalhada das trocas demensagens e dos tempos relacionados àconvergência da rede em caso de falha, como,por exemplo, o tempo de processamento dasmensagens RouteFlow e OpenFlow. Essasmensagens não existem em uma arquiteturaclássica de roteador com pilha de protocolosembarcada.

3.1 Tempo de convergência com tráfego linerate

Para os testes de convergência, foi utilizado umgerador e um analisador de tráfego configuradospara transmissão de pacotes IP de 1500 bytesem ambos os sentidos (full duplex), a uma taxa

de 1 Gbit/s. Dessa forma, garante-se que essasolução de roteamento remota sobre uma redeprogramável é capaz de operar com tráfego nataxa de transmissão da interface (line rate), umavez que os pacotes são processados emhardware (ARGYRAKI et al., 2008). A Figura 10 apresenta um gráfico que mostra otempo total de convergência da rede após falhade um enlace, utilizando o protocolo OSPFv3configurado com o parâmetro hello time em1 segundo. Esse é o principal parâmetro doprotocolo diretamente relacionado ao tempo dedetecção de falhas. O hello time foi configuradopara 1, 5 e 10 segundos, correspondendo aosvalores típicos da indústria, que apresentamdefault de 10 segundos em enlaces Ethernet. Odead interval utilizado foi o recomendadocorrespondendo a quatro vezes o hello time.

Figura 10 Tempo total de convergência (OSPFhello interval = 1 s)

Figura 11 Fragmentação do tempo deconvergência (OSPF hello interval = 1 s)

Com o intuito de estudar os componentes quecontribuem com o tempo total de convergência,foram realizadas análises das mensagensenviadas e recebidas pelo hardware OpenFlowpara o controlador NOX. Nos resultados, estáincluso o tempo gasto pelas mensagens paratransitar entre o dispositivo de encaminhamento,o controlador e a MV. T1 pode ser obtido a partirdo intervalo entre o instante em que ocorre ainterrupção do tráfego e a primeira mensagem deLS-Update gerada pelo RouteFlow ao detectar afalha. Em seguida, leva-se T2 + T3 para que oRF-Slave inicie o envio da primeira mensagemde alteração de fluxo e, por último, T4 finaliza oprocesso com o restabelecimento do tráfego.



Tabela 1 Tempos de convergência após falha

HelloTime T1 [s] T2 + T3 [s] T4 [s] Ttotal [s]

OSPF Tmed. T90% Tmed. T90% Tmed. T90% Tmed. T90%

1 s 3,25 3,92 0,36 0,40 0,07 0,12 3,70 4,37

5 s 16,7 18,9 0,32 0,39 0,06 0,10 17,1 19,3

10 s 36,4 37,8 0,36 0,49 0,04 0,11 36,8 38,3

Na Figura 11 e na Tabela 1, apresentam-se ostempos conforme a fragmentação propostaanteriormente, em que cada um deles possui ovalor de tempo abaixo do qual se encontrammetade dos testes e o valor de tempo abaixo doqual se encontram 90% dos testes, num total de20 repetições para cada uma das configurações. Conforme os dados apresentados, o tempo totalde convergência é bem próximo de T1 (tempo dedetecção da falha). Portanto, o tempo restante,gasto com o cálculo de rotas, detecção demodificações da tabela de roteamento peloRF-Slave e instalação do fluxo tem poucoimpacto no tempo de convergência. Apesar deT2 e T3 não terem sido analisadosseparadamente, sabe-se que o tempo de pollingpara verificar atualizações da tabela deroteamento e ARP do Linux é fixo em 100 ms, ouseja, da soma T2 + T3, T3 representa até100 milissegundos, no pior caso. Vale ressaltarque foi utilizada a estratégia de polling porsimplificação; no entanto, podem ser feitasotimizações para reduzir substancialmente T3.Uma opção seria fazer com que a aplicação seregistrasse no Zebra (módulo central do Quagga)para receber notificações sobre a RIB. Dessaforma, a informação chegaria ao RF-Slave deforma muito mais rápida e eficiente.Dada a baixa representatividade dos tempos T3e T4 sobre o tempo total, é razoável afirmar aviabilidade da solução RouteFlow no contextoproposto.

3.2 Encaminhamento em slow path e fastpath

Outra forma de se avaliar o impacto de uma pilhade protocolos de roteamento remota é compararos tempos para os modos de encaminhamentode pacotes: slow path e fast path. A primeiraforma de encaminhamento ocorre quando oroteador precisa se comunicar com um nó deuma rede diretamente conectada a ele, masantes do aprendizado do endereço MAC dodestino, necessário para o encaminhamento emhardware. O slow path normalmente ocorre comos nós que entraram na rede ou que ficaram semcomunicação por um longo período. Por essarazão, essa operação nos roteadores, apesar denecessária, é considerada de baixa relevância.

O fast path refere-se ao encaminhamento emhardware que ocorre após o aprendizado dosendereços dos nós e o preenchimento dastabelas em hardware. Portanto, em umatransmissão de dados, o slow path ocorre,quando necessário, apenas para o primeiropacote, a partir do qual será realizado oaprendizado, sendo que o restante dos pacotesserão processados em line rate. Através desse teste, é possível avaliar adiferença de desempenho entre umencaminhamento por software e por hardware,de um roteador tradicional com protocolosembarcados, e do RouteFlow, com o plano decontrole remoto. Foram realizados testes dePING (Internet Control Message Protocol –ICMP) entre dois hosts diretamente conectados aportas distintas, de um mesmo roteador, econfiguradas em redes diferentes. No início, oshosts não têm conhecimento do endereço MACdos gateways, e o roteador também nãocontempla ambos os hosts em suas tabelas.Após o aprendizado dos endereços, são obtidosos valores de fast path. Foram utilizados osseguintes switches layer 3: CISCO 3560-eCatalyst, Extreme x450-e, CPqD Enterprise(protótipo) e RouteFlow. Os resultados dos testesestão apresentados na Tabela 2. Foi observado nos testes com o RouteFlow quealém do primeiro pacote ICMP request, o replytambém é encaminhado no slow path emsoftware. O motivo desse comportamento estárelacionado principalmente aos 100 ms de pollingpara que as atualizações nas tabelas do Linuxsejam detectadas. No momento da respostaICMP, os fluxos ainda não estão instalados e opacote precisa novamente ser direcionado aocontrolador para ser, então, encaminhado porsoftware. Portanto, é válido pensar em um tempoconsideravelmente menor para esse teste, comuma otimização da forma com que o RF-Slavepassa a ter conhecimento das atualizações,como exemplificado anteriormente. Outro ponto a ser destacado sobre o resultado deslow path, consideravelmente superior quandocomparado aos dispositivos com softwareembarcado, é o desempenho do controladorOpenFlow (NOX) utilizado nos testes, cujaproposta é a de prover uma plataforma simplesde desenvolvimento de aplicações de rede sem ocompromisso de manter o foco em desempenho.Nesse sentido, já foram identificadas possíveisotimizações que devem trazer ganhossignificativos no tempo de processamento dasmensagens no controlador, como, por exemplo,tornar o controlador multitarefa, de forma arealizar o processamento paralelo dasmensagens e, também, a implementação demensagens que agreguem mais informação,resultando em um menor chaveamento decontexto da aplicação para processar cada



pacote recebido.Em contrapartida, pode-se observar o melhordesempenho de fast path do RouteFlow, que é aforma de encaminhamento mais relevante.Nesse modo, a tabela de fluxos é encaminhadamais rapidamente, se comparado ao modolongest prefix match, que é utilizado nas tabelasde encaminhamento IP.

Tabela 2 Tempo de resposta ICMP

EquipamentoSlow path [ms] Fast path [ms]

Tmed. T90% Tmed. T90%

CISCO 3560-e C. 5,46 7,75 0,100 0,130

Extreme x450-e 11,30 14,00 0,106 0,141

CPqD Enterprise 14,20 17,30 0,101 0,147

RouteFlow 116,00 138,00 0,082 0,119

3.3 Discussão dos resultados e trabalhosfuturos

Os resultados alcançados na avaliação doprotótipo sugerem o grande potencial doRouteFlow como solução de roteamento pararedes de campus/corporativas, mediante o ganhode flexibilidade e o poder de inovaçãoproporcionados. As questões pertinentes aodesempenho não inviabilizam a proposta, umavez que já foram identificadas otimizações eoutras melhorias decorrentes da maturidade doprotocolo OpenFlow.Como em qualquer abordagem baseada emcontroladores centralizados, tornam-se desafiosos aspectos de escalabilidade, resiliência afalhas e segurança. Vale a pena notar que acentralização do modelo OpenFlow é somentelógica. Não existe nenhuma restrição a umaimplementação distribuída dos elementoscontroladores para atender aos requisitos deescala, desempenho e confiabilidade da rede.Esforços atuais no aprimoramento da arquiteturanesses aspectos incluem a distribuição do planode controle virtual em múltiplos servidores, aadoção de técnicas avançadas de virtualizaçãopara o balanceamento e migração das MVs, eoutras melhores práticas da programação desistemas em nuvem (cloud computing) paratornar a plataforma escalável e tolerante a falhas(ex.: BD distribuída do tipo NoSQL, replicação doestado em controladores backup) (KOPONENet al., 2010).Outros aspectos da proposta, que merecemconsiderações adicionais e são objeto de estudo,incluem o isolamento entre as MVs(FERNANDES et al., 2010) e a materialização doconceito de roteamento como serviço (KELLER;REXFORD, 2010). Dessa forma, pode-se obtertopologias lógicas independentes sobre umamesma rede, que executem protocolos distintos,resultando em uma abordagem de virtualização

com um melhor aproveitamento dos recursos dainfraestrutura, que, agora, pode sercompartilhada com diferentes propósitos(CASADO et al., 2010). Outra questão pertinente é o gargalo observadonas implementações disponíveis do OpenFlowquanto ao tamanho da tabela de fluxos (entre 2 e4 mil) e à capacidade de instalação de novasentradas por segundo (valor em torno de100 fluxos por segundo). Essas limitações sãotransitórias e serão contornadas com o avançodas especificações. Por exemplo, a partir daversão 1.1 do protocolo OpenFlow é possivelexpor e controlar as tabelas L2/L3 do hardware.Outras técnicas para reduzir o consumo dasentradas em hardware incluem algoritmos queescolhem aquelas entradas mais utilizadas(SARRAR et al., 2010). Essas e outras questõesencontram-se atualizadas na agenda de P&D doprojeto (ROUTEFLOW, 2011).

ConclusãoO conceito de redes definidas por software –decorrente da disponibilidade de um protocoloaberto, como o OpenFlow – promete um modelodisruptivo de inovação tecnológica de potencialimpacto nos cenários de convergência ampla(consolidação de planos de controle de redesheterogêneas) e de computação em nuvem(integração da rede com recursos de TI).Equipamentos de rede programáveis poderãoservir de base para o início de um ciclo deinovação aberta e rápida, envolvendopesquisadores, engenheiros e desenvolvedoresde software da academia, dos institutos deciência e tecnologia, dos fabricantes deequipamentos, das operadoras detelecomunicações e dos provedores de serviçosde Internet. Essas inovações se darão tanto noâmbito dos controladores como das aplicaçõesque são executadas nesses controladores. Poraplicações entenda-se algoritmos, protocolos,serviços e aplicações de controle e gerência deredes e serviços. Além disso, o movimento deinovação aberta, decorrente do modeloOpenFlow, poderá alavancar e induzir um grandedesenvolvimento na área de redes e tecnologiasda informação e computação de uma formaconsiderável, como ocorreu com oscomputadores pessoais com o advento dossistemas operacionais DOS, do Windows, doLinux e da consolidação destes por meio detécnicas de virtualização que dominam,atualmente, o mundo das tecnologias dainformação. Em resumo, os principais benefícios e impactosdo advento da tecnologia OpenFlow incluem:

1. Capacidade de inovação (possivelmenteaberta) em soluções de redes e serviçospara os proprietários de infraestrutura, osprovedores de serviços e a comunidade



de pesquisa.2. Oportunidade para que novas empresas

possam competir e inovar na área deaplicações avançadas para gerenciamentoe controle de redes de pacotes.

3. Novos modelos de negócio quepromovem redução de CAPEX e OPEXpor meio de novos serviços – através daalocação dinâmica de fatias/recursos darede, por exemplo – e dereaproveitamento de ativos –virtualização/consolidação.

4. Redução do custo de manutenção dosequipamentos, através, por exemplo, daincorporação de novos protocolos, daatualização do hardware do equipamento,etc.

5. Redução do tempo de implementação denovas funcionalidades nos equipamentose de integração de soluções de redesespecializadas às demandas do clientefinal.

6. Simplificação e barateamento dosequipamentos de rede pela diminuiçãodos requisitos mínimos do softwareembarcado e das pilhas de protocolosproprietárias.

7. Consolidação dos planos de controle e dagerência de infraestruturas de rede,facilitando a migração para novosprotocolos-padrão e tecnologias de redede transporte.

Como exemplo de inovação sobre redesprogramáveis com OpenFlow, foi apresentada aproposta do RouteFlow, que representa umaabordagem expansível (scale-out) paraarquiteturas de redes de pacotes. Com o planode controle externo ao dispositivo de rede, passaa existir maior independência entre esse plano eo de encaminhamento, de forma que ambosescalem e evoluam separadamente. Nessesentido, o RouteFlow possibilita o surgimento deredes mais baratas e flexíveis, mantendocompatibilidade com redes legadas e apoiandouma evolução das redes em que a conectividadeIP possa se tornar um produto (commodity)ofertado em um modelo de plataforma comoserviço (KELLER; REXFORD, 2010) e adiferenciação dos serviços dos operadores possase dar pelas potenciais inovações do paradigmade redes definidas por software.

AgradecimentosOs autores agradecem o apoio dado a estetrabalho, desenvolvido no âmbito do projeto“Arquitetura de Redes para ComunicaçõesMóveis IP” que contou com recursos do Fundopara o Desenvolvimento Tecnológico dasTelecomunicações – FUNTTEL, do Ministériodas Comunicações, através do Convênionº 002/2007 com o Ministério das Comunicações.

Referências

ANWER, M. B. et al. Switchblade: a platform forrapid deployment of network protocols onprogrammable hardware. In: SIGCOMM ’10.Proceedings... New York, USA: ACM, 2010.p.183-194.ARGYRAKI, K. et al. Can software routers scale?In: PRESTO ’08. Proceedings... New York, USA:ACM, 2008. p. 21-26.CASADO, M. et al. Ethane: Taking Control of theEnterprise. In: SIGCOMM '07. Proceedings...New York, USA: ACM, 2007. ______. Virtualizing the network forwardingplane. In: PRESTO ’10. Proceedings...Philadelphia, USA, 2010.CHOWDHURY, M.; BOUTABA, R. NetworkVirtualization: State of the Art and ResearchChallenges. IEEE Communications Magazine,v. 47, n. 7, p. 20-26, 2009. FERNANDES, N. et al. Virtual networks: isolation,performance, and trends. Annals ofTelecommunications, p. 1-17. 2010. GREENE, K. TR10: Software-DefinedNetworking. MIT Technology Review. 2009.Disponível em:<http://www.technologyreview.com/communications/22120/>. Acesso em: 31 jan. 2011.GUDE, N. et al. NOX: towards an operatingsystem for networks. SIGCOMM ComputerCommunication Review, 38(3), p.105-110,2008.GUDLA, V. et al. Experimental Demonstration ofOpenFlow Control of Packet and CircuitSwitches. In: OPTICAL FIBER CONFERENCE(OFC/NFOEC'10). Proceedings... San Diego,USA, 2010. HAMILTON, J. Networking: The last bastion ofmainframe computing. 2009. Disponível em:<http://perspectives.mvdirona.com/2009/12/19/NetworkingTheLastBastionOf-MainframeComputing.aspx>. Acesso em: 31 jan.2011.INTERNET ENGINEERING TASK FORCE(IETF). Forwarding and Control ElementSeparation (ForCES), WG, 2011. Disponível em:<http://datatracker.ietf.org/wg/forces/charter/>.Acesso em: 31 jan. 2011.JUNIPER NETWORKS. Network OperatingSystem Evolution. White paper, Oct. 2010.KELLER, E.; REXFORD, J. The 'Platform as aService' model for networking. In: INM/WREN.Proceedings... San Jose, USA, 2010.KOPONEN, T. et al. Onix: A distributed controlplatform for large-scale production networks. In:OSDI’10. Proceedings... Vancouver, Canada,



Oct. 2010. MCKEOWN, N. et al. OpenFlow: enablinginnovation in campus networks. SIGCOMMComputer Communication Review, 38,p.69-74, 2008.NASCIMENTO, M. R. et al. RouteFlow:Roteamento Commodity Sobre RedesProgramáveis. In: XXIX SIMPÓSIO BRASILEIRODE REDES DE COMPUTADORES - SBRC'2011,Campo Grande, MS, Brasil, 2011.Proceedings...NOX. An open-source OpenFlow controller.2011. Disponível em: <http://noxrepo.org>.Acesso em: 31 jan. 2011.SARRAR, N. et al. FIBIUM – towards hardwareaccelerated software routers. In: EUROVIEW2010 (poster session). SHERWOOD, R. et al. Can the productionnetwork be the testbed? In: OSDI’10.

Proceedings... USENIX Association, Vancouver,Canada, 2010.The OPENFLOW Specification. 2010. Disponívelem:<http://www.openflowswitch.org/documents/openflow-wp-latest.pdf>. Acesso em: 31 jan. 2011.The QUAGGA Project. 2009. Disponível em:<http://www.quagga.net>. Acesso em: 31 jan.2011.The XORP Project. Extensible open routerplatform. 2011. Disponível em:<http://www.xorp.org>. Acesso em: 31 jan. 2011. The ROUTEFLOW Project. 2011. Disponível em:<https://sites.google.com/site/routeflow/>. Acessoem: 31 mai. 2011. YAP, K. K. et al. Blueprint for IntroducingInnovation into Wireless Mobile Networks. In:VISA'10, New Delhi, India, 2010. Proceedings...New York: ACM, 2010.

Abstract

For some time we have seen the need for greater openness and flexibility of networking equipment, notonly for research purposes, but also in search of in-house innovation. Today’s networking gear follows themodel of computer mainframes, with closed software running on proprietary hardware. This approachresults in expensive solutions and prevents equipment owners to put new ideas into practice. Advances inthe standardization of OpenFlow as a hardware-independent, open protocol to control the networking gearof packet networks introduces the notion of software-defined networks, a new paradigm for innovationwith a disruptive potential comparable to the emergence of operating systems in the computer and mobiledevice industries. This paper introduces the principles of OpenFlow and presents the RouteFlow as anexample of innovative ongoing work on open-source routing services over commodity hardware.

Key words: Packet networks. Routing. Switching. Free Software. Virtualization.



Nesta seção, são apresentados os resumos dos pedidos de patentes depositados pelo

CPqD no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI), no segundo semestre de

2010 e primeiro semestre de 2011.



1. Resumos dos pedidos de patente depositados no INPI no segundo semestre de 2010

(54) MÉTODO E SISTEMA PARA ANÁLISE DE INTERDEPENDÊNCIA DE INFRAESTRUTURASCRÍTICAS.Dados do pedido:

(21) PI 1003555-9(22) 16/09/2010(57) "Método e Sistema para Análise de Interdependência de Infraestruturas Críticas" dequaisquer setores organizacionais, como, por exemplo, telecomunicações, transportes,energia, água, esgoto, finanças, entre outros. Inicialmente, a infraestrutura-alvo é identificada (1) a partir de seus ativos que dãosuporte a serviços críticos, sendo que as informações geradas são disponibilizadas naBase de Ativos (11). Em seguida, são identificadas e caracterizadas as infraestruturasrelacionadas à infraestrutura-alvo (201), cujos serviços críticos, em conjunto com osserviços da Base de Ativos (11) , compõem o escopo de serviços a ser analisado. Para os serviços desse escopo, são calculados indicadores de interdependência (202) erealizadas simulações de propagação de falhas (203) devido ao efeito cascata, culminandocom a compilação e o armazenamento das informações de interdependências (2) éfundamentado em conceitos associados à Matriz de Interdependência (22) e às Matrizesde Inoperabilidade Induzida (23). Esses conceitos são abordados à luz de premissascriteriosamente estabelecidas para transformá-los em elementos úteis e eficientes emanálises práticas de interdependências de infraestruturas críticas.(72) Sérgio Luis Ribeiro / Rafael de Simone Cividanes / Sandra Maria Campanholi Tome /Danilo Yoshio Suiama / João Henrique de Augustinis Franco.



(54) SISTEMA PARA MONITORAÇÃO DE MÁQUINAS ROTATIVAS.Dados do pedido:

(21) INPI/DF 12100001031 (em cotitularidade com Eletronorte)(22) 07/10/2010(57) "Sistema para Monitoração de Máquinas Rotativas" compreendendo uma fonte de luzde espectro largo (1) que transmite continuamente um sinal de luz via óptica (2) até umcirculador óptico (3), que redireciona o sinal de luz via fibra óptica (4) até um dispositivocolimador de luz fixo (5), que expande o sinal de luz e transmite-o pelo ar até umdispositivo colimador de luz rotativo (6), fixando a uma máquina rotativa (7) ditocolimador rotativo (6) que ao se alinhar ao colimador (5) durante o movimento derotação, recebe o sinal de luz e colima-o para o núcleo de um fibra monomodo (8) fixadasobre a dita máquina rotativa (7), dita fibra (8) contendo sensores FBG (9), que alteramseu comprimento de onda específico conforme a variação de parâmetro físico a sermonitorado, e que refletem parte do espectro da luz composta de fatias do sinal de luzcentradas em comprimentos de onda específicos, de tal modo que, ao refletir sinaiscontendo uma parte do espectro de luz através da FBG (9), os ditos sinais refletidosretornam pelo caminho inverso, onde através de uma fibra óptica (10) redireciona os ditossinais refletidos para um AEO (11). (72) Cláudio Floridia / João Batista Rosolem / Flávio Borin / Edson Wilson Bezerra.



(54) MÉTODO E DISPOSITIVO DE AMPLIFICAÇÃO ÓPTICA COM MINIMIZAÇÃO DO ERRO DESHB E FAIXA DINÂMICA GENERALIZADA.Dados do pedido:

(21) INPI/SP 018100037916(22) 08/10/2010(57) Método de Amplificação Óptica com Minimização do Erro de SHB e FaixaDinâmica Generalizada através do uso de um HGC-EDFA que possibilita ainserção/remoção de qualquer número de canais na Banda C, e que conta com controlehíbrido eletro-óptico de ganho, baseado em mecanismos simultâneos de controle do laserde bombeio e da eficiência do canal de controle, dito canal de controle formado pelarealimentação de uma parcela da ASE, que visa a atuação como compensador espectral. Dispositivo de Amplificação Óptica com Minimização do Erro de SHB e FaixaDinâmica Generalizada (100), contendo componentes de um EDFA e que compreendeadicionalmente pelo menos um caminho óptico de realimentação (101), constituído pordois fotodetectores (102 e 103), dois add-drops (104 e 105), um VOA (106) e umprocessador de sinal digital DSP (107), de tal modo a constituir uma estrutura deamplificação óptica baseada no controle de ganho híbrido eletro-óptico capaz degeneralizar a faixa dinâmica do amplificador na banda C.(72) Júlio César Rodrigues Fernandes de Oliveira / Adolfo Fernandes Herbster.



(54) SISTEMA MULTIMODAL PARA USO AUTÔNOMO DE SERVIÇOS ELETRÔNICOS VIACOMPUTADOR PESSOAL.Dados do pedido:

(21) INPI/SP 018100038927(22) 18/10/2010(57) Sistema multimodal para uso autônomo de serviços eletrônicos viacomputador pessoal caracterizado por identificar o perfil do usuário após suaautenticação no dito sistema e, de acordo com esse perfil, disponibilizar uma diversidadede serviços eletrônicos suportados por recursos multimodais de áudio, vídeo, ícones etextos, associados a cada evento no dito sistema. O referido sistema tem como público-alvo usuários de baixo letramento, idosos, deficientes auditivos e deficientes visuais, epode ser aplicado em várias modalidades de serviços de governo eletrônico (e-gov), taiscomo marcação de consultas em postos de saúde e informações sobre pedidos deaposentadoria.(72) Lara Schibelsky Godoy Piccolo / Alexandre Freire da Silva Osório / Ismael MattosAndrade Ávila / Cláudia Povoas Schmidt / Robson Eudes Duarte / Cláudia de AndradeTambascia / Luiz Acácio Guimarães Rolim / Rafael Faria Carvalho / Anselmo Zago /Raphael de Carvalho Barbosa.



(54) MÉTODO E SISTEMA PARA APRESENTAÇÃO ESPACIAL DE CONSULTAS AD HOC ABASES DE DADOS ESPAÇO-MULTIDIMENSIONAIS.

Dados do pedido:

(21) INPI/SP 018100040916(22) 29/10/2010(57) "Método e Sistema para Apresentação Espacial de Consultas Ad Hoc a Bases deDados Espaço-Multidimensionais" que provê solicitação, execução e apresentação deresultados de consultas sob demanda, através de uma arquitetura que integrafuncionalidades típicas de OLAP e de Sistemas de Informações Geográficas (GIS), sendoessas funcionalidades complementadas por funcionalidades adicionais que proporcionam ausuários de tecnologias de informação maior flexibilidade e agilidade em tomadas dedecisão. As solicitações de consulta do usuário são recebidas pelo Módulo de Visualização (1) etraduzidas em requisições de dados pelo Módulo de Consulta (2), que as envia a umServidor OLAP (3). Os dados solicitados são recuperados em um Repositório de DadosEspaço-Multidimensionais (4) e devidamente encaminhados ao Módulo de Consulta (2)para análise e determinação da melhor forma de serem apresentados ao usuário. Combase nessa análise, o Módulo de Visualização (1) apresenta ao usuário os resultados dasconsultas em forma de tabelas, gráficos e mapas, ou por meio de combinações dessasformas.(72) Domingos Antonio Pereira Creado Júnior / Renata Maria Ganselli Stevaux / Ubirajarade Oliveira Costa Junior.



(54) MEDIDOR ELETRÔNICO DE ENERGIA ELÉTRICA COM MECANISMO INTEGRADO DECERTIFICAÇÃO DIGITAL PARA COMUNICAÇÃO SEGURA.

Dados do pedido:



(54) DISPOSITIVO E SISTEMA PARA CONTROLE DE PRESENÇA DE OBJETOS USANDOIDENTIFICAÇÃO POR RADIOFREQUÊNCIA.

Dados do pedido:

(21) INPI/SP 018100045356(22) 30/11/2010(57) Dispositivo para controle de presença de objetos usando identificação porradiofrequência que compreende uma linha de transmissão (10) flexível para transportarsinais eletromagnéticos em qualquer faixa de frequência, dita linha de transmissão (10)apresentando fendas (14) que permitem irradiar e receber os ditos sinaiseletromagnéticos, sendo que a dita irradiação dos sinais eletromagnéticos para oambiente é feita através de dois componentes: um campo elétrico vetor E (16) que seirradia de acordo com a abertura lateral da dita fenda (14); e um campo magnético vetorH (17) que se mantém ortogonal ao dito campo elétrico vetor E (16), de tal modo agarantir a formação de uma antena de campo próximo à linha de transmissão (10). Sistema para controle de presença de objetos usando identificação por radiofrequência(30) que compreende um leitor RFID (32) conectado a pelo menos uma antena dodispositivo linha de transmissão (10), também objeto da presente invenção, distribuídaadequadamente por uma superfície de leitura (33) qualquer, e um módulo de gerênciaassociado a um middleware (31), que controla e configura o leitor RFID (32) e realiza otratamento e armazenamento dos dados adquiridos com a movimentação de objetos comtags RFID.(72) Ricardo Hiroshi Minoda / Antonio Marini de Almeida / Alberto Lucizani Pacífico /Rossano Felipe Zadra / Leandro Ruzene Sergio / Arthur Guilherme Batista de Souza /Michel Henrique Alves / Carlos Augusto de Sousa Filho / Paulo Borges Ribeiro / WilliamRobert Heinrich / Delson Meira.



(54) MÉTODO E SISTEMA DE GERAÇÃO AUTOMÁTICA DE RELATÓRIOS PARA APLICATIVOSQUE UTILIZAM SGBDs RELACIONAIS.

Dados do pedido:

(21) INPI/SP 018100048351(22) 20/12/2010(57) "Método e Sistema de Geração Automática de Relatórios para Aplicativos queUtilizam SGBDs Relacionais" que possibilita a composição de ambientes dedesenvolvimento integrados, permitindo a construção e a execução dinâmica de relatóriospor usuários não familiarizados com os mecanismos de manipulação de SGBDs, como, porexemplo, a linguagem SQL. A presente invenção integra-se facilmente às aplicações e disponibiliza uma interfacehumano-computacional amigável que proporciona simplicidade, agilidade e eficiência àsatividades de implementação de relatórios. A partir da criação de um metamodelo (1) para o repositório do Aplicativo-Alvo (6),são disponibilizados mecanismos para edição (2) e execução (3) de templates derelatórios, sendo que as execuções dos relatórios podem ser realizadas de imediato ousegundo agendamentos prévios, de acordo com as necessidades. Os relatórios são executados diretamente no repositório do Aplicativo-Alvo (6), sendoque as informações advindas da execução são formatadas (4), armazenadas norepositório de Metadados & Controle (5) e, opcionalmente, enviadas anexas a um e-mailinformativo, conforme definido pelo usuário. (72) Claudio Copello Machado / Carlos Antonio de Oliveira.



(54) DISPOSITIVO DE VINCULAÇÃO DE MEDIDOR ELETRÔNICO DE ENERGIA ELÉTRICA AMOSTRADOR REMOTO DE CONSUMO.

Dados do pedido:



2. Resumos dos pedidos de patente depositados no INPI no primeiro semestre de 2011 (até 15de junho)

(54) MEDIDOR ELETRÔNICO MODULADO DE ENERGIA ELÉTRICA MONOFÁSICO, BIFÁSICOE TRIFÁSICO.Dados do pedido:



(54) GABINETE PARA INSTALAÇÃO DE MEDIDORES DE ENERGIA ELÉTRICA PARAMEDIÇÃO CENTRALIZADA.Dados do pedido:



(54) MÉTODO E SISTEMA PARA DIAGNÓSTICO DE INFRAESTRUTURAS CRÍTICAS.Dados do pedido:

(21) INPI/SP 018110009434(22) 17/03/2011(57) "Método e Sistema para Diagnóstico de Infraestruturas Críticas" de qualquer setororganizacional como, por exemplo, transportes, energia, telecomunicações, água, esgoto,finanças, entre muitos outros. Inicialmente, a infraestrutura é identificada e armazenada na Base de Ativos (11), apartir da qual são identificadas e analisadas as ameaças existentes (2), e caracterizadasas interdependências da infraestrutura com as infraestruturas relacionadas (4), dandoorigem à Base de Ameaças Analisadas (21) e à Base de Insumos para Diagnóstico (41),respectivamente. Em seguida é gerado, a partir da Base de Ameaças Analisadas (21), ocenário ideal de controles (3) para proteção de infraestrutura que é armazenado na Basede Cenário Ideal (31). Por fim, a partir da Base de Cenário Ideal (31) e da Base de Insumos para Diagnóstico(41), é realizado o Diagnóstico (5) da infraestrutura em questão. O diagnósticocompreende a avaliação de impactos (501) e o cálculo de riscos (502) sobre cada ativocrítico da infraestrutura, bem como a análise desses riscos (503) e a geração derecomendações (504) que subsidiam planos de ação para a proteção de infraestruturascríticas, sendo que as informações geradas são disponibilizadas na Base de Diagnóstico(51).(72) Sérgio Luis Ribeiro / Sandra Maria Campanholi Tome / Christiane Maria da SilvaCuculo / Marcos Baracho Trindade / Leonardo Moreira Lage.



(54) DISPOSITIVO SENSOR POR CURVATURA USANDO FIBRA ÓPTICA DOPADA COM ÉRBIOCOM CASCA REBAIXADA E SISTEMA DE SENSORIAMENTO ÓPTICO QUE UTILIZA O DITODISPOSITIVO SENSOR.Dados do pedido:

(21) INPI/SP 018110011460(22) 30/03/2011(57) Dispositivo Sensor por Curvatura usando Fibra Óptica Dopada com Érbiocom Casca Rebaixada e Sistema de Sensoriamento Óptico que utiliza o ditoDispositivo Sensor que se utilizam das características de amplificação dependente dacurvatura das fibras DC-EDF desenvolvidas para aplicações na banda S (1.480 e 1.520nm), e que permitem monitorar parâmetros físicos com alta sensibilidade, ampla faixadinâmica e grande largura de banda, podendo ser usados para monitorar essesparâmetros físicos de forma estática (por exemplo: acústica e vibração), nos mais diversoscampos de aplicação, como medições em locais de difícil acesso pelo ser humano ou aindaem condições de atuação onde não se permite a aplicação de dispositivos elétricos oueletromagnéticos. Tais sistemas de sensoriamento e sensor poderão ser usados emcondições nos quais a umidade ou a temperatura não sejam impeditivos de operação,mas possam constituir elementos passíveis de medidas a serem estabelecidas, dado quea fibra óptica não constitui elemento passível de alteração magnética, elétrica ou hídricaem uma ampla faixa de operação.(72) João Batista Rosolem / Edson Wilson Bezerra / Mauro Bíscaro Elias (Já! Tecnologia).



(54) MÉTODO DE CERTIFICAÇÃO DA QUALIDADE DE INSTALAÇÕES DE REDES ÓPTICASPASSIVAS.Dados do pedido:



(54) SISTEMA ELETRÔNICO INTERATIVO DE ENSINO.Dados do pedido:

(21) INPI/SP 018110011895(22) 01/04/2011(57) Sistema Eletrônico Interativo de Ensino que compreende pelo menos umaferramenta de autoria (100), pelo menos uma biblioteca de conteúdos (200) e pelo menosuma plataforma de acesso (300) com o respectivo player, tais elementos sistemicamenteintegrados de modo que a ferramenta de autoria (100) permite a criação e edição deconteúdos interativos, ditos conteúdos interativos são armazenados na biblioteca deconteúdos (200) e podem ser acessados por um usuário final através de uma plataformade acesso (300) que tenha instalados um player e um conversor texto-fala.(72) Pei Jen Shieh / Mário Uliani Neto / Fernando Oscar Runstein / José Eduardo Canhone/ Edson José Nagle / Sílvio Aparecido Spinella.



(54) PROCESSO PARA AUMENTAR A SEGURANÇA DE CARTÕES DE DÉBITO INDUTIVOSATRAVÉS DE TÉCNICA DE CAMUFLAGEM.Dados do pedido:



(54) DISPOSITIVO TRANSCEPTOR ZIGBEE DE BAIXA FREQUÊNCIA.Dados do pedido:

(21) INPI/SP 018110016465 (em cotitularidade com Eletropaulo)(22) 03/05/2011(57) Dispositivo Transceptor ZigBee de Baixa Frequência (1000) que compreende umaantena (1100), uma chave de radiofrequência (1200), um conversor de frequência (1300),um rádio transceptor com frequência de operação no padrão ZigBee IEEE 802.15.4(1400), um microcontrolador (1500), uma memória EEPROM (1600), um transceptorEIA232 (1700) e um conversor de tensão elétrica AC/DC (1800), sendo capaz de secomunicar com um medidor eletrônico (2000) externo. O dispositivo proposto (1000) oferece meios para converter uma frequência deoperação do padrão ZigBee para qualquer outra frequência de operação licenciada, alémde ser capaz de coletar e tratar dados em medidores eletrônicos (2000) aplicados adiferentes setores de utilidades (utilities), de modo a garantir um uso de rede maisrestrito, prioritário, seguro e confiável.(72) Edson José Bonon / Fabrício Poloni dos Santos / Fabrício Lira Figueiredo / DelsonMeira.



(54) DISPOSITIVO PASSIVO DE DETECÇÃO DE PRESENÇA/AUSÊNCIA DE CABOS DE REDEÓPTICA OU ELÉTRICA EM PAINÉIS DE DISTRIBUIÇÃO OU TERMINAÇÃO DE CABEAMENTO.Dados do pedido:



(54) SISTEMA E MÉTODO PARA PLANEJAMENTO DE REDES DE TELECOMUNICAÇÕESPARA SERVIÇOS TRIPLE PLAY.Dados do pedido:



(54) DISPOSITIVO DE BAIXO CUSTO PARA CONEXÃO DE ESTAÇÕES DE ASSINANTESWIMAX ATRAVÉS DE UM ENLACE DE SATÉLITE.Dados do pedido:

(21) INPI/SP 018110018230(22) 17/05/2011(57) A presente invenção propõe uma nova solução para comunicação de estações deassinantes fixas, nomádicas ou móveis utilizando tecnologia WiMAX, através dasubstituição de estação-base BS WiMAX convencional por um novo dispositivo (elementode rede) denominado Gateway. Tal dispositivo Gateway é capaz de atuar como conversorde sinal satélite para sinal WiMAX terrestre e vice-versa, possibilitando uma forma maiseficiente de comunicação entre as estações de assinantes WiMAX e uma estação hubcentral, através de um enlace de satélite.(72) Luís Cláudio Palma Pereira / Mônica Domingues de Arruda Cachoni / MarcosGuimarães Castello Branco / Juliano João Bazzo.



(54) MÉTODO E SISTEMA DE TRANSPORTE DE CANAIS E1 EM REDES GPON TÍPICAS.Dados do pedido:

(21) INPI/SP 018110019140(22) 23/05/2011(57) A presente patente de invenção se refere a uma nova proposta de transporte detráfego TDM em redes GPON e, em particular, a uma proposta que vislumbra uma amplapossibilidade de fragmentação, de montagem e de desmontagem de quadros E1m a fimde atender a uma maior quantidade de ONUs por link GPON e/ou a um maior número deinterfaces de linha E1 presentes nas ONUs. Adicionalmente, a presente invenção propõe aimplementação de blocos lógicos incorporados ao chip FPGA (Field Programmable GateArray) da OLT e da ONU, de modo a introduzir nos equipamentos GPON essas novasfuncionalidades relacionadas ao transporte de canais E1.(72) Sandro Marcelo Rossi / Marcos Perez Mokarzel / Marcelo Alves Guimarães(USP/FIPAI) / Mônica de Lacerda Rocha (USP/FIPAI).



(54) MÉTODO E SISTEMA PARA CRIAÇÃO DE MIDDLEWARE SEMIÓTICO DE SERVIÇOS.Dados do pedido:

(21) INPI/SP 018110019143(22) 23/05/2011(57) "Método e Sistema para Criação de Middleware Semiótico de Serviços" quepossibilitam que um usuário navegue na Web de Serviços através de menus interativoscriados em tempo de execução. A invenção utiliza um modelo próprio de descrição semiótica dos serviços e umaarquitetura constituída de forma a possibilitar que as aplicações não precisem seralteradas quando os serviços acessados ou suas interfaces sofrem alterações Suaarquitetura é do tipo Cliente/Servidor, composta por um Browser de Serviços (1), umGateway de Serviços (2) e um Construtor de Agentes (3). O Browser de Serviços (1), que constitui a parte cliente da arquitetura, constróidinamicamente Interfaces de Usuário (IU) amigáveis, para qualquer tipo de terminalconectado à Internet, através das quais o Usuário interage com a Web de serviços. Asinformações sobre as solicitações de serviços são enviadas a um Gateway de Serviços (2)por meio de uma Interface de Consumo (IC). O Gateway de Serviços (2), que constitui a parte servidora da arquitetura, acessa osserviços solicitados através de suas Interfaces Nativas (IN) e devolve as respectivasrespostas ao Browser de Serviços (1), por meio da Interface de Consumo (IC), sendoapoiado por um Construtor de Agentes (3).(72) Isidro Lopes da Silva Neto / Vinicius de Lima / Anderson Luiz Brunozi.



3. Códigos do INPI para Identificação de Dados Bibliográficos (INID) contidos nos documentosde patentes

(11) Número da patente(21) Número do pedido(22) Data do depósito(30) Dados da prioridade unionista (data de depósito, país, número)(45) Data da concessão da patente(51) Classificação internacional(54) Título(57) Resumo(72) Nome do inventor(81) Países designados


IS

1-

9S

N

809

146

www.cpqd.com.br

Rodovia Campinas-Mogi-Mirim (SP340) – km 118,5 – CEP 13086-902(acesso pela Rua Dr. Ricardo Benetton Martins) Campinas – SP – Brasil

Vol. 7 • n. 1 • julho 2010/junho 2011

Cadernos CPqD

Tecnologia

Cadernos CPqD

Tecnologia

Cad

ern

os C

Pq

D Te

cn

olo

gia

Vo

l. 7 •

n. 1

• ju

lho 2

01

0/ju

nh

o 2

01

1

Tecnologias de camada física e MAC para redes LTEFabbryccio A. C. M. Cardoso, Donato Manzan Júnior, Rafael Mendes Vilela, Fabrício Lira Figueiredo

Rádios cognitivos: desafios e tendências Juliano João Bazzo, Fabbryccio A. C. M. Cardoso, Donato Manzan Júnior, Edson José Bonon, Ricardo Takaki, Douglas Gameiro Diniz

Integrando satélite com redes banda larga sem fio terrestres Marcos Guimarães Castello Branco, Juliano João Bazzo, Ralph Robert Heinrich

Redes de sensores ZigBee: visão geral da tecnologia e análise de consumo dos nós Fabrício Poloni dos Santos

Sincronismo para sistemas adaptativos utilizando marca d'águaMário Uliani Neto, Leandro de Campos Teixeira Gomes, João Marcos Travassos Romano

OpenFlow e redes definidas por software: um novo paradigma de controle e inovação em redes de pacotesChristian Esteve Rothenberg, Marcelo Ribeiro Nascimento, Marcos Rogério Salvador, Maurício Ferreira Magalhães


Documents

Cadernos CPqD Tecnologia V7 Nº 1