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RODRIGO VIAN
ANÁLISE DE MÉTODOS DE COGNIÇÃO EM REDES DE
TRANSMISSÃO SEM FIO BASEADAS EM RÁDIOS COGNITIVOS
CANOAS, 2010.
RODRIGO VIAN
ANÁLISE DE MÉTODOS DE COGNIÇÃO EM REDES DE
TRANSMISSÃO SEM FIO BASEADAS EM RÁDIOS COGNITIVOS
Trabalho de Conclusão apresentado ao Curso de Engenharia de Telecomunicações do Centro Universitário La Salle – Unilasalle, como exigência parcial para a obtenção do grau de Bacharel em Engenharia de Telecomunicações
Aprovado pelo avaliador em, 2010
Orientador: Professor e Mestre Artur Cardoso Severo
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIGURA 1 - FIGURA COMPARATIVA DO SISTEMA COGNITIVO NATURAL E
ARTIFICIAL ........................................................................................................ 18
FIGURA 2 - FIGURA ILUSTRANDO A DIFERENCIAÇÃO ENTRE OS RÁDIOS ..... 21
FIGURA 3 - MÁQUINA DE ESTADOS DO CICLO COGNITIVO ............................... 22
FIGURA 4 - ARQUITETURA DE UMA REDE DE RÁDIO COGNITIVO .................... 29
FIGURA 5 - OPERAÇÃO EM BANDA LICENCIADA ................................................ 32
FIGURA 6 - OPERAÇÃO EM BANDA NÃO LICENCIADA ....................................... 33
FIGURA 7 - QUADRO DE ALOCAÇÃO DE FREQUÊNCIAS NO BRASIL ............... 35
FIGURA 8 - DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM CARACTERÍSTICO DETECTOR DE
ENERGIA ........................................................................................................... 40
FIGURA 9 - INTERFERÊNCIA NO RECEPTOR PRIMÁRIO .................................... 44
FIGURA 10 - PROBLEMA DO TERMINAL ESCONDIDO ......................................... 45
FIGURA 11 - DETECÇÃO COOPERATIVA CENTRALIZADA .................................. 46
FIGURA 12 - GESTÃO DO ESPECTRO ................................................................... 48
FIGURA 13 - FRAMEWORK DE GESTÃO DO ESPECTRO PARA REDES DE
RÁDIO COGNITIVO ........................................................................................... 52
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 7
2 CENÁRIO DAS COMUNICAÇÕES SEM FIO .......................................................... 9
2.1 Alocação de espectro de frequência ............................................................... 10
2.2 Problemas no uso do espectro ........................................................................ 12
2.3 Possíveis soluções ........................................................................................... 13
3 RÁDIOS COGNITIVOS .......................................................................................... 17
3.1 Cognição ............................................................................................................ 18
3.2 Rádios cognitivos ............................................................................................. 19
3.3 Ciclo cognitivo ................................................................................................... 22
3.4 Aplicação dos rádios cognitivos ..................................................................... 24
3.5 Futuro dos rádios cognitivos ........................................................................... 25
4 REDES RÁDIO COGNITIVO ................................................................................. 27
4.1 Arquitetura de redes rádio cognitivos ............................................................. 28
4.1.1 Rede primária ................................................................................................... 29
4.1.2 Rede rádio cognitivo ......................................................................................... 30
4.1.3 Operação em banda licenciada ........................................................................ 31
4.1.4 Operação em banda não licenciada ................................................................. 32
5 MÉTODOS DE COGNIÇÃO ................................................................................... 34
5.1 Sensoriamento do espectro ............................................................................. 36
5.1.1 Detecção do transmissor .................................................................................. 38
5.1.1.1 Detecção por filtros casados ......................................................................... 38
5.1.1.2 Detecção de energia ..................................................................................... 39
5.1.1.2.1 Algoritmo Multitaper .................................................................................... 40
5.1.1.2.2 Detecção de energia com a utilização de Wavelets ................................... 42
5.1.2 Detecção cooperativa ....................................................................................... 43
5.2 Framework de gestão do espectro .................................................................. 47
5.2.1 Detecção de espectro....................................................................................... 48
5.2.2 Decisão de espectro ......................................................................................... 49
5.2.3 Compartilhamento de espectro ........................................................................ 50
5.2.4 Mobilidade de espectro .................................................................................... 51
6 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS ........................................................... 53
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 56
RESUMO
A idéia de rádio cognitivo foi apresentada oficialmente por Joseph Mitola III em um
seminário no KTH, The Royal Institute of Technology, em 1998. Está idéia vem ao
encontro do problema que se apresenta nos dias atuais em relação à comunicação
sem fio, o uso do espectro de frequência. Este recurso natural apresenta-se mal
distribuído, tendo em vista que as bandas licenciadas estão sendo pouco utilizadas e
as bandas não licenciadas estão apresentando uma super utilização. Devido a estes
problemas e através da abordagem apresentada por Mitolla onde os Rádios
Cognitivos (RC) tem por objetivo uma melhora na utilização do espectro através do
acesso oportunista ao meio, novas tecnologias com base nestes rádios vem sendo
aprimoradas. Estas aplicações se baseiam na seguinte teoria: permitir a
comunicação de elementos da rede que não sejam licenciados sem que haja
interferência ou perda de qualidade na comunicação dos usuários licenciados. Por
exemplo, bandas de rede celular estão sobrecarregadas na maior parte do mundo,
mas as frequências de TV analógica estão entrando em desuso. Estudos realizados
confirmaram esta observação e concluí-se que a utilização do espectro depende
fortemente do tempo e lugar, sendo possível uma comunicação mútua de usuários
não licenciados e usuários licenciados, sem ocasionar interferência nas
transmissões. Mediante estas análises este trabalho tem como principal objetivo
abordar estas novas tecnologias, delineando o conceito, suas principais
características, as funcionalidades destes equipamentos e possíveis aplicações que
utilizam o rádio cognitivo inseridos em redes de comunicação sem fio.
Palavras-Chave: Rádios Cognitivos, Cognição, SDR, Espectro de Frequência.
ABSTRACT
The cognitive radio idea was officially presented by Joseph Mitola III in a seminar at
KTH, The Royal Institute of Technology, in 1998. That idea comes along with the
issue we have nowadays related to the wireless communication usage, the use of
frequency spectrum. This natural resource is currently bad distributed, since licensed
bands are barely used and the non licensed bands are overused. Due to those
issues and the approach presented by Mr. Mitola, where the Cognitive Radios (RC)
aims to get a better usage of the spectrum through an opportunist access to the
environment, new technologies based on these radios are being improved. Those
applications base themselves in the following theory: allow communication on the
network elements that are not licensed without having interference or quality loss on
the communication of the licensed users. As an example, mobile phone bands are
overloaded in most parts of the world, but analogical television frequencies are
becoming unused. Recent studies have confirmed this notice and it is concluded that
the spectrum usage strongly depends on time and place, therefore being possible to
have a mutual communication of non licensed and licensed users, without causing
transmission interferences. By all of these analyses, this work intends to study these
new technologies, outlining its concept, its own characteristics, equipment features
and possible applications to the use of the cognitive radio on the wire
communications network.
Keywords: Cognitive Radios, Cognition, SDR, Spectrum Frequency
7
1 INTRODUÇÃO
Atualmente a crescente necessidade do ser humano em ter disponibilidade à
informação durante a maior parte do tempo possível é imprescindível. Agregada a
esta disponibilidade está à mobilidade de obter estas informações. Com o
crescimento das redes de comunicação wireless, a idéia dos pesquisadores desta
área, que visam os serviços disponíveis em qualquer hora e local, acaba
encontrando uma barreira na limitação física e natural das comunicações elétricas, o
espectro de frequência ou eletromagnético.
Estudos mostram que a maior parte do espectro eletromagnético do ar é
utilizada ineficientemente, com bandas sobreutilizadas sofrendo com o excesso de
tráfego e usuários (dispositivos de rádio) e bandas com utilização baixa ou nula que
poderiam permitir uma melhoria da qualidade e capacidade de serviços para os
quais as frequências alocadas são insuficientes.
Como forma de se buscar o equilíbrio entre contabilidade de comunicação e o
aumento do número de usuários utilizando este recurso que é limitado, surge à
tecnologia denominada rádios cognitivos. Esta tecnologia está sendo desenvolvida e
aplicada de forma que estes rádios consigam através de seus parâmetros de
cognição identificar no espectro de frequência, faixas ou “buracos” que possam estar
sendo pouco utilizadas e desta maneira viabilizar uma transmissão que
anteriormente não poderia ser realizada sem que fosse um usuário licenciado, ou
até mesmo para aumentar a taxa de transmissão de uma comunicação existente.
Estes sistemas de rádio baseados em cognição são caracterizados pela flexibilidade
dos rádios, que podem adaptar de forma autônoma seus parâmetros de
funcionamento como frequência da portadora, potência de transmissão, estratégia
de codificação, entre outros.
Considerando que as possíveis formas que os rádios cognitivos poderão operar
tanto através de cognição por software como através de variações das
características física básicas de transmissão de ondas eletromagnéticas, encontram-
se as dificuldades em estabelecer os critérios de funcionamento.
Através de estudos do comportamento dos rádios cognitivos dentro do espectro
de frequência juntamente com a responsabilidade de acatar as normas previstas
pelo órgão fiscalizador vigente, tanto em questões legais como questões
8
operacionais, conseguimos analisar as possíveis formas de implementação desta
nova tecnologia. Esta análise cabe auxiliar e estudar a melhor utilização do espectro
de frequências e quais os melhores métodos de cognição para obter melhor
desempenho desta nova tecnologia.
Como vista dos aspectos acima apresentados, o trabalho encontra-se
organizado da seguinte forma.
No Capítulo 2, faz-se uma análise do cenário das comunicações sem fio nos
dias atuais, adentrando também na parte de a alocação do espectro para as
transmissões sem fio além de visar os problemas que acarretam a utilização do
espectro para as transmissões, tais como a super utilização em algumas frequências
e o mau aproveitamento de outras.
No Capítulo 3, abordam-se as possíveis soluções para que os problemas de
utilização do espectro de frequência sejam solucionados, projetando como a de
maior viabilidade o uso dos Rádios Cognitivos.
No Capítulo 4 é apresentado o conceito, as funcionalidades e aplicações da
tecnologia dos Rádios Cognitivos.
No Capítulo 5 aborda-se o a concepção e funcionamento de uma rede baseada
em Rádios Cognitivos bem como o comportamento dos elementos na rede.
No Capitulo 6 são apresentados os métodos de cognição que são utilizados
pelos Rádios Cognitivos, suas formas de detecção da variação do sinal além do
tratamento que é realizado através de softwares ou hardware para o melhor ajuste
na retransmissão do sinal.
E finalmente no Capítulo 7 é apresentada a conclusão do nosso trabalho e
indicamos possíveis trabalhos futuros vinculados ao tema.
9
2 CENÁRIO DAS COMUNICAÇÕES SEM FIO
As comunicações através de rádio enlaces exercem um papel fundamental e
também predominante como um dos meios de transmissão de sinal de telefonia e
transmissão de dados mais importantes nos dias de hoje. Este fato deve-se à sua
independência na distância, capacidades e principalmente com a natureza de
informações que estes rádios enlace são capazes de transmitir.
Principalmente em países cuja suas dimensões são continentais, como por
exemplo, o Brasil, as transmissões sem fio, são meios que além de se tornarem
mais baratos, na maioria das vezes, tem-se o espectro eletromagnético como o
único meio de estabelecer comunicação em determinadas áreas, onde nenhum
outro meio físico consegue ser instalado.
As ondas de rádio são fáceis de serem geradas e podem percorrer longas
distâncias penetrando facilmente em ambientes fechados. São amplamente
utilizadas para comunicação por rádio difusão. Estas também são omnidirecionais, o
que significa que elas viajam em todas as direções a partir da fonte; deste modo, o
transmissor e o receptor não precisam estar cuidadosa e fisicamente alinhados.
As propriedades das ondas de rádio dependem da frequência. Em baixas
frequências, as ondas de rádio atravessam os obstáculos, mas a potência cai
abruptamente à medida que a distância da fonte aumenta cerca de no ar, onde
d é a distância entre a fonte da transmissão e o ponto de observação. Em altas
frequências, as ondas de rádio tendem a viajar em linha reta e a ricochetear nos
obstáculos. Em todas as frequências, as ondas de rádio estão sujeitas à
interferência de outros equipamentos elétricos (TANENBAUM, 2003).
Nas bandas High Frequency (HF) e Very High Frequency (VHF), as ondas que
se propagam ao longo do solo tendem a ser absorvidas pela terra. No entanto, as
ondas que alcançam a ionosfera, uma camada de partículas carregadas situadas em
torno da Terra a uma altura de 100 a 500 km, são refratadas e enviadas de volta à
Terra.
Acima de 100 MHz, as ondas trafegam praticamente em linha reta e, portanto,
podem ser concentradas em uma faixa estreita. A concentração de toda a energia
em um pequeno feixe através de uma antena parabólica oferece uma relação
sinal/ruído muito mais alta, mas as antenas de transmissão e recepção devem estar
10
alinhadas com o máximo de precisão (TANENBAUM, 2003). Além disso, essa
direcionalidade permite o alinhamento de vários transmissores em uma única fileira,
fazendo com que eles se comuniquem com vários receptores também alinhados
sem que haja interferência, desde que sejam observadas algumas regras mínimas
de espaçamento entre as frequências de cada canal utilizado para essa
transmissão.
Ao contrário das ondas de rádio nas frequências mais baixas, as microondas
não atravessam muito bem as paredes dos edifícios. Além disso, muito embora o
feixe possa estar bem concentrado no transmissor, ainda há alguma divergência no
espaço. Algumas ondas podem ser refratadas nas camadas atmosféricas mais
baixas e, consequentemente, sua chegada pode ser mais demorada que a das
ondas diretas. As ondas retardadas podem chegar fora de fase em relação à onda
direta, e assim cancelar o sinal. Esse efeito é chamado esmaecimento de vários
caminhos (multipath fading) e costuma provocar sérios problemas. Ele depende das
condições atmosféricas e da frequência.
A grande demanda na transmissão de todos os níveis de serviço, incluindo
redes de acesso a assinantes (usuários finais), backbones de grandes capacidades,
principalmente motivados pela proliferação de novas tecnologias e serviços, como
serviços de dados para telefonia móvel, a televisão com sinal digital, entre outros,
fazem com que a implementação de novos enlaces de diversas capacidades,
continuem a ser implantados em grandes quantidades. Tendo essas informações
como base, nos deparamos com um cenário onde a demanda de projetos de rádio
enlace seja eficaz e rápida, porém, problemas de saturação do meio físico utilizado
para estas comunicações começam a ficar eminentes.
2.1 Alocação de espectro de frequência
Transmissão de rádio envolve a utilização de parte do espectro
eletromagnético. Energia eletromagnética é transmitida em diferentes frequências e
as propriedades da energia dependem da frequência. Por exemplo, a luz visível tem
uma frequência entre 4 × 1014 e 7,5 × 1014 Hz.
11
Radiação ultravioleta, raios X e raios gama têm maior frequências (ou
equivalentemente um comprimento de onda mais curto), enquanto a radiação
infravermelha, microondas e as ondas de rádio têm frequências mais baixas (maior
comprimento de onda). A frequência de rádio envolve radiações eletromagnéticas
com frequências entre 3000 Hz e 300 GHz.
Mesmo dentro do espectro de radiofrequências, frequências diferentes
possuem propriedades diferentes. Como por exemplo, quanto maior a frequência,
menor a distância que o sinal viaja, em contra partida o sinal te maior capacidade de
transportar informações.
O espectro de frequência, ou espectro eletromagnético, é um recurso natural, e
o direito de uso de uma parte do espectro é concedido através de uma licença,
obtido gratuitamente ou através de um leilão publico. Esta banda1 do espectro de
frequência pode ser inteira, como por exemplo, nos sistemas móveis ou um canal
dentro de uma banda.
A maneira tradicional de operação dos sistemas de comunicação é que cada
sistema utilize sua própria banda de espectro alocada de maneira fixa pelo órgão
regulador. Existem fatores políticos e econômicos para se manter esse tipo de
abordagem. Por exemplo, as operadoras desejam realizar lucros sobre o
licenciamento de espectro já realizado no passado. Portanto, o argumento técnico
precisa ser bastante convincente para que as operadoras comecem a seguir na
direção de compartilhamento dinâmico do espectro.
Ter um recurso reservado é também à maneira mais segura de operação em
um ambiente competitivo. Cada operadora pode otimizar seu próprio espectro de
maneira independente e sabe por força da lei que não haverá interferência de seus
concorrentes no seu próprio espectro.
O espectro de frequência regulado e licenciado, já é utilizado há quase 100
anos (LIU; WANG, 2005), e diferente do outros recursos naturais, o espectro
eletromagnético é reutilizável. Ao expirar a licença de um usuário, outro poderá obter
a licença desta mesma banda do espectro, sem que o mesmo tenha perdido as suas
características. Um exemplo que podemos citar é que a Comissão Federal de
Comunicações (FCC) norte-americana deverá aprovar regras para faixas de
1Banda – uma banda é uma pequena parte do espectro de frequência de comunicação por RF (rádio frequência) dividida em um ou mais canais de mesma largura de faixa. Canal é por onde efetivamente se estabelece uma comunicação. Os canais são normalmente usados para o mesmo tipo de serviço.
12
espectro não licenciadas a serem destinadas para redes de Wi-Fi. Esta liberação da
nova faixa de frequências abrirá campo para a exploração soluções que vem
buscando cada vez mais espaços atualmente. Porém esta liberação de novas faixas
para o Wi-Fi será obtida das faixas de frequências que hoje estão destinadas à
transmissão dos canais de televisão analógica. Esta escolha vem do fato de que
com a migração das transmissões das emissoras, utilizando o sinal digital, as faixas
de frequências destinadas à televisão analógica, ficariam sendo subutilizadas (AD
NEWS, 2010).
2.2 Problemas no uso do espectro
Em diversos países desenvolvidos e em desenvolvimento, os usuários já
utilizam o espectro eletromagnético para trafegar seus dados em maior número, do
que os meios de transmissões mais convencionais como o cabo ethernet e a fibra
óptica. Essa demanda por faixas do espectro tende a crescer ainda mais, visto à
necessidade de taxas mais altas de transmissão que os sistemas digitais irão
necessitar para suprir os serviços que estão oferecendo, como o 3G, televisão
digital, entre outros.
Um fato interessante que podemos ressaltar no qual aconteceu recentemente e
que vai ao encontro dos problemas que enfrentamos hoje no uso do espectro, foi a
aprovação da ANATEL para a mudança que destinam a alteração na destinação do
uso das frequências que são utilizadas pelas emissoras de TV a cabo que utilizam a
tecnologia de transmissão MMDS. Estas faixas de radiofrequência que funcionam
entre 2170 MHz a 2182 MHz (2.1 GHz) e 2500 MHz a 2690 MHz (2.5 GHz) são de
uso exclusivo para está transmissão. Porém está tecnologia está sendo muito pouco
utilizada se compararmos com a crescente de usuários de telefonia móvel.
Pensando nisso, a ANATEL aprovou a mudança nestas faixas de frequências
visando à homologação, em breve, destas frequências para que as empresas
telefonia móvel venham implantar a tecnologia 4G, antes do ano de 2014 (INFO
ABRIL, 2010).
Este aumento no numero de usuários que se concentram em uma determinada
região e também o número reduzido de faixas disponíveis, acabam impedindo a
13
prática da reutilização de faixas de frequência. Essa alta demanda dos usuários
versus a capacidade de faixas de frequência acaba gerando o fenômeno conhecido
como interferência co-canal.
O mecanismo utilizado pelos órgãos de regulamentação do uso do espectro
eletromagnético para viabilizar comunicação confiável sem interferências é a
segmentação do espectro em faixas, destinadas única e especificamente para certa
aplicação ou a usuários licenciados, de modo a reduzir a interferência entre eles. No
entanto, como o tráfego demandado varia com o tempo, espaço e o serviço utilizado,
o estabelecimento de uma alocação fixa e exclusiva das faixas a usuários
licenciados pode gerar uma baixa eficiência da utilização do espectro, conforme
apontam medidas da taxa de ocupação do espectro em regiões metropolitanas
(MENEZES, 2007). Em contra partida, as faixas de frequência que não necessitam
de regulamentação, em determinadas localidades já apresentam super utilização,
impossibilitando uma transmissão de dados confiáveis ou de maneira satisfatória,
sem apresentar perdas.
Como forma de se buscar o equilíbrio entre confiabilidade de comunicação e o
aumento do número de usuários utilizando o espectro, surge à tecnologia
denominada rádio cognitivo. Os sistemas de rádio baseados em cognição são
caracterizados pela flexibilidade dos rádios, que podem adaptar de forma autônoma
seus parâmetros de funcionamento como frequência da portadora, potência de
transmissão, estratégia de codificação, entre outros.
2.3 Possíveis soluções
Na atualidade, temos um modelo de alocação de frequências que divide o
espectro eletromagnético em diversos segmentos, sendo que estes são destinados
a diferentes categorias de serviço, como por exemplo, a comunicação móvel, a
radiodifusão, localização global, etc.
Contudo, cada um destes segmentos é novamente dividido em faixas de
frequências fixas, separados apenas por uma banda de guarda. Com esta divisão
podemos garantir que cada faixa de frequência seja utilizada por uma única
operadora na sua respectiva região. Nesta divisão, as operadoras que tem a
14
permissão de concessão desta faixa, são conhecidas como usuários primários (UP).
Depois de obter essa licença de uso da faixa, esta operadora pode ou não subdividi-
la, a fim de disponibilizar aos seus usuários, um acesso múltiplo aos seus serviços.
A exemplo do que ocorre nos sistemas de comunicações móveis, as
operadoras podem segmentar suas respectivas faixas em canais e viabilizar o
acesso de múltiplos usuários aos serviços oferecidos através das técnicas
Frequency Time Multiple Access (FDMA), Time Division Multiple Access (TDMA) e
Code Division Multiple Access (CDMA) (MENEZES, 2007).
Esta concessão de utilizar uma determinada faixa do espectro é obtida através
de licenças outorgadas pela agência regulamentadora, como no Brasil, pela Agência
Nacional de Telecomunicações (ANATEL), ou a Federal Communication Comission
(FCC), nos Estados Unidos.
Estas agências são responsáveis por estabelecer quadros de alocação de
frequência delimitando em faixas licenciadas e não licenciadas, além de fiscalizarem
a ocupação do espectro licenciado por usuários não licenciados, denominados aqui
como usuários secundários (US) (MENEZES, 2007).
Paralelamente, verifica-se a popularização dos serviços de comunicação sem
fio, a implantação de soluções para a garantia da qualidade de serviço (QoS em
inglês), assim como o fornecimento de novos serviços tais como internet móvel,
rádio localização, dentre outros. Por outro lado, existem faixas de frequências não
licenciadas, onde o acesso é liberado a qualquer usuário. As faixas de 2.4GHz a
2.5GHz e 5.8GHz denominadas Industrial, Science and Medical (ISM) são não
licenciadas tanto pela ANATEL quanto pela FCC, ou seja, quaisquer usuários
licenciados ou não podem utilizá-las desde que adotem certas normas impostas
pelas agências (PORTELINHA, 2007).
No entanto, as empresas que buscam novas tecnologias emergentes nos
mercados, tanto no mundial como no brasileiro, se utilizam destas faixas de
frequência não licenciadas (ISM) para popularizar seus novos serviços. O WIMAX,
por exemplo, em fase de testes ainda no Brasil, utiliza tanto equipamentos que
operam nas faixas de frequência licenciadas (3,5GHz) como nas faixas de
frequência aberta, 5,8GHz. Apesar de pouco difuso por parte das operadoras de
telecomunicações, essa realidade de utilizar também a faixa de 5.8GHz para
transmitir o WIMAX, faz com que esta fique mais saturada do que já se encontra
atualmente. À medida que a quantidade de usuários for aumentando, será possível
15
utilizar e adaptar o uso da tecnologia de rádios cognitivos para aperfeiçoar o uso do
espectro nesta faixa de frequência, beneficiando tanto os usuários de WIMAX como
os de Wi-Fi que também transmitem nesta faixa.
Nestas faixas, verifica-se um aumento na taxa de ocupação do espectro
quando medida em locais com grande fluxo de pessoas, tais como aeroportos,
hotéis, centro de convenções, etc.
O modelo de padronização de acesso ao espectro em vigor atualmente foi
concebido para gerenciar uma grande variedade de sistemas de rádio, cada qual
disponibilizando um serviço específico e sem qualquer possibilidade de interligação
entre os mesmos. Desta forma existe a possibilidade de controlar a interferência de
outros usuários, facilitando também o desenvolvimento de equipamentos que
operam em faixas especificas de frequência.
Porém, com o aumento de demanda do mercado atual na área de
telecomunicações, tem-se motivado as operadoras a oferecer um maior número de
serviços, utilizando os sistemas de rádio, que visa à facilidade do usuário em se
comunicar, utilizando este meio que ultimamente anda subutilizado em algumas
faixas e super utilizado em outras. Isto tem gerado a convergência de sistemas,
permitindo que haja interoperabilidade entre os mesmos, visto que os serviços
oferecidos são praticamente os mesmos para os mais variados sistemas
(MENEZES, 2007).
Os avanços em microeletrônica com o desenvolvimento de conversores
analógico-digital (ADC em Inglês) e digital-analógico (DAC em Inglês) operando em
altas taxas, bem como dos dispositivos reconfiguráveis como Field Programmable
Gate Array (FPGA), e os processadores digitais de sinais (DSP em inglês),
possibilitam a reconfiguração em tempo real dos sistemas. Por outro lado, os
avanços dos dispositivos de rádio frequência (RF) tornam factível a operação dos
rádios cognitivos numa ampla faixa de frequência.
Algumas soluções para se ter um melhor uso do espectro de frequência podem
ser tomadas. Uma delas é o aumento das faixas não licenciadas do espectro,
contudo esta maneira deixa de ser interessante para a União, pois cada licença que
é alocada e outorgada para uma operadora, gera receita. Fazendo essa
readequação, a União deixa de arrecadar fundos.
Outra solução seria mover as portadoras de frequências para faixas de
frequência mais altas no espectro, na qual são pouco usadas por rádios. Porém esta
16
questão levou fatores prós e contras. Os fatores prós vêm ao encontro de
operadoras que oferecem aplicações com utilização de banda larga, pois quanto
maior a frequência a ser transmitida, mais alta é a taxa de dados que será
suportada. Porém estes mesmos enlaces ficam mais suscetíveis às interferências
causadas pelas intempéries (chuva, poeira, poluição, etc.).
Neste ponto de vista, seria mais cabível a ocupação das faixas que já são
licenciadas por mais de um usuário, porém seriam necessários certos avanços no
que diz respeito os atuais padrões de regulamentação destas frequências, assim
como avanços nos sistemas de rádio que farão o compartilhamento espectral.
A principal delas e também abordado neste trabalho, é o estudo de técnicas
que possibilitam o acesso dos usuários secundários ao espectro licenciado,
garantido comunicação sem interferências aos usuários primários. Portanto os US
necessitam monitorar o espectro de frequência periodicamente e também em uma
ampla faixa, a fim de encontrar uma destas faixas de frequência licenciada livre para
poder transmitir.
Portanto, para que seja possível, estes rádios que serão utilizados, necessitam
de certo grau de inteligência, ou cognição, para que possa interagir com o meio e
assim podendo adaptar seus parâmetros, tanto de transmissão como de recepção
junto ao espectro, sem causar nenhum tipo de interferência.
17
3 RÁDIOS COGNITIVOS
Com o crescente aumento das comunicações sem fio em todo o mundo,
percebe-se que esta demanda se dá principalmente após a popularização de
serviços que são compatíveis com os consórcios industriais WiFi (WI-FI ALLIACE,
2010), WiMax (WIMAX, 2010) e Bluetooth (BLUETOOTH, 2010), assim como dos
serviços de comunicações móveis. Inevitavelmente tem-se a necessidade conjunta
do crescimento da faixa de frequência disponível para os serviços de
telecomunicação em geral.
Contudo, mesmo o espectro eletromagnético sendo um recurso natural limitado
e bastante disputado, estudos recentes nos alertam para a grande demanda de
utilização do espectro. Devido à essa política, nos deparamos com a escassez de
espectros em algumas bandas de frequência. Por outro lado, uma grande porção de
espectros de frequência atribuídos é usada esporadicamente, levando a uma
subutilização de uma quantidade significativa do espectro. Segundo Yuan (2007),
estudos recentes mostram que somente 5% do espectro na faixa de 30MHz até
30GHz não é utilizado nos EUA. Por isso, técnicas dinâmicas de acesso ao espectro
foram recentemente propostas para resolver esses problemas de ineficiência de
acesso ao espectro.
Mediante esta situação, e também tendo os avanços tecnológicos como um
meio de viabilização, surgem os Rádios Cognitivos como uma possível solução de
buscar esta maior eficiência no uso do espectro eletromagnético sem perder a
qualidade e confiabilidade na transmissão de informações através dos sistemas de
comunicação sem fio.
Para entendermos a forma de funcionamento desta tecnologia, podemos nos
submeter a análise não só de estudos voltados para a parte de Engenharia, mas
também relacionados à área de Ciências Humanas, pois assim como nós seres
humanos temos nossa inteligência adquirida pelo método de Cognição, os Rádios
Cognitivos irão adquirir métodos de resolução de problemas da mesma forma.
18
3.1 Cognição
Cognição é derivada da palavra latina cognitione, que significa "aquisição de
conhecimento através da percepção". O aprendizado ou processo cognitivo tem sido
investigado tanto no contexto natural quanto no artificial, sendo o primeiro tratado
principalmente nas áreas de humanas e saúde e o segundo pesquisado nas áreas
de ciências exatas e engenharias (MITOLA, 2000).
O diagrama apresentado na Figura 1 é um comparativo entre as etapas de
aprendizado seguidas pelos seres humanos e suas correspondes etapas
executadas pelos sistemas artificiais (MENEZES, 2007).
Figura 1 - Figura comparativa do sistema cognitivo natural e artificial Fonte: (MENEZES, 2007).
19
O desafio da ciência no contexto de cognição natural está em entender os
mecanismos utilizados pelo cérebro no processo cognitivo. No contexto artificial,
busca-se o modelamento dos mecanismos de cognição, assim como o
desenvolvimento de sistemas autônomos como softwares, robôs e rádios, entre
outros, que possam responder de forma eficiente às novas situações e aprender
com a experiência, ou seja, buscam-se sistemas artificiais que emulem a cognição
realizada pelos seres humanos.
3.2 Rádios cognitivos
Nos últimos anos, devido a grandes avanços tecnológicos na área de
telecomunicações, há uma tendência da transição de rádios que são desenvolvidos
puramente em hardware para rádios que possuem uma composição mista de
hardware e software. Devido a estes avanços, nos algoritmos de DSP (Digital Signal
Processing) que compreendem a parte do software, vem trazendo melhorias
significativas na confiabilidade destes equipamentos bem como na sua capacidade
de comunicação.
Segundo Joseph Mitola (2000), esses novos rádios como são definidos como
Software-Defined Radio (SDR). O SDR é formado basicamente por um circuito de
rádio frequência (RF) que recebe o sinal em banda passante e o converte para
frequência intermediária (FI), conversores ADC/DAC e software para
modulação/demodulação. Este último é executado através de algum dispositivo
reconfigurável como FPGA, DSP ou Personal Computer (PC). Esta possibilidade de
reconfiguração na modulação/demodulação é o cerne do SDR (MITOLA, 1995).
Dado o contínuo desenvolvimento científico e tecnológico, a próxima etapa no
desenvolvimento dos sistemas de rádio seria dotar os SDR de inteligência artificial,
surgindo daí o termo Cognitive Radio (CR), utilizado e definido pela primeira vez em
sua tese de doutorado (MITOLA, 2000).
Para Mitola (2000) rádio cognitivo identifica o ponto em que os Personal Digital
Assistants (PDA) sem fio e suas redes relacionadas são computacionalmente
inteligentes para:
20
a) detectar as necessidades de comunicação dos usuários em função do
contexto de uso;
b) disponibilizar recursos de rádio e serviços sem fio mais apropriados às
necessidades citadas anteriormente.
Na interpretação dada por Mitola (1999), o rádio cognitivo está habilitado a
selecionar automaticamente o melhor serviço para transmissão, podendo atrasar ou
acelerar uma dada transmissão em função dos recursos disponíveis. O aprendizado,
o raciocínio e a tomada de decisão são as principais tarefas executas pelo rádio
cognitivo.
Segundo Haykin (2005), rádio cognitivo é "um sistema de comunicação sem fio
inteligente, que está a par do meio à sua volta. Usa a metodologia de entender para
construir, aprender do meio e adaptar seus estados internos através de variações
estatísticas dos estímulos de entrada, para fazer alterações em tempo real em
certos parâmetros de operação, tais como potência de transmissão, frequência da
portadora e estratégia de modulação, com dois objetivos em mente:
a) comunicação altamente confiável quando e onde necessário;
b) utilização eficiente do espectro eletromagnético."
Visto as definições propostas por Mitola (2000) e Haykin (2005), a utilização do
termo rádio cognitivo está sendo empregado em um sentido mais amplo. Segundo a
Federal Communications Comission (FCC), "rádio cognitivo é o rádio que pode
mudar seus parâmetros de transmissão baseado na interação com o meio no qual
opera. A maioria dos rádios cognitivos serão SDR, todavia, ter software e ser
reprogramável são condições necessárias, mas não suficientes para caracterizar o
rádio cognitivo.” (FCC, 2005)
Analisado os conceitos descritos por Mitola e por Haykin, bem como a
bibliografia percebemos que a nova concepção dos rádios cognitivos estão indo
além da parte de softwares implementadas nos rádios e transferidos para as
camadas física e de enlace, segundo o modelo OSI2.
Conforme ilustrado por Menezes (2007), na Figura 2 podemos analisar as
principais diferenças entre os rádios estritamente projetados em hardware, os SDR e
os rádios cognitivos.
2 Modelo OSI - Esse modelo se baseia em uma proposta desenvolvida pela ISO (International Standards Organization) como um primeiro passo em direção à padronização internacional dos protocolos empregados nas diversas camadas. (TANENBAUM, 2003).
21
Figura 2 - Figura ilustrando a diferenciação entre os rádios Fonte: (MENEZES,2007)
Uma definição formal dos rádios cognitivos ainda não é um consenso na
literatura atual. O que se tem é uma interpretação pra cada contexto de aplicação, e
verifica-se que todas as abordagens citadas têm como intenção aparelhar sistemas
de rádios a fim de controlar e estar a par dos seguintes sistemas e operações,
citados abaixo:
a) identificar e utilizar faixas de frequências disponíveis;
b) medir a potência do sinal desejado, assim como das interferências;
c) reconhecer e operar em diferentes redes;
d) controlar a potência de transmissão;
e) estar a par da padronização de acesso ao espectro no local de operação.
22
3.3 Ciclo cognitivo
Tornar mais eficiente a utilização do espectro eletromagnético torna-se o
objetivo principal para a construção de sistemas de rádios que são capazes de
controlar os sistemas e operações listadas anteriormente. Para que seja possível
fazer este controle de forma organizado os sistemas de rádios devem obedecer ou
seguir uma dinâmica de operação chamada ciclo cognitivo.
O processo de operação de um rádio cognitivo pode ser descrito através de
uma máquina de estados de 2 estados. Conforme Figura 3, adaptada de Portelinha
(2007), observamos este processo de operação.
Figura 3 - Máquina de Estados do Ciclo Cognitivo Fonte: Autoria própria, 2010.
Analisando cada estado, podemos descrever que o estado dormente, ocorre
por um período de tempo longo, de pode variar de minutos a dias, pois é neste
estado que o rádio observa o ambiente em que está localizado e processa
algoritmos da máquina de conhecimento. Neste estado não existe nenhuma
interferência do rádio cognitivo nas operações que o rádio está realizando.
O estado dormente é onde o rádio cognitivo, opera efetivamente como um
rádio normal, com a forma de onda instalada. Segundo Portelinha (2007), o estado
dormente é onde o rádio cognitivo monitora continuamente o ambiente. Os sensores
estão implementados no SDR ou no AI. A mudança de estado dormente para
23
consciente é disparada nos seguintes casos: power-up, outage,3 handoff4, e
BER5<BER(mínimo).
No estado consciente inicia-se o ciclo cognitivo e este ciclo inicia-se e é
estimulado por um ou mais eventos. Os acontecimentos destes eventos disparam as
ações cognitivas para que os ajustes necessários sejam realizados. Portanto o ciclo
cognitivo, segundo (Mitola 2000, p. 24), “é definido como o ciclo de interação entre o
rádio cognitivo e o ambiente em que ele se localiza. O rádio cognitivo continuamente
observa, orienta a si próprio, cria plano, decide e atua no ambiente”. Com esta
definição, podemos ampliar cada etapa do ciclo cognitivo e descrever o que ocorre
no processo do rádio em cada uma delas.
a) Etapa observa – nesta etapa o rádio cognitivo, em estado dormente, observa
o ambiente em que está inserido e com os sensores coleta informações e
analisa-as. Em paralelo com esta etapa ocorre à etapa Conhece realiza o
conhecimento do ambiente. Parâmetros observados nestas etapas servirão
como fator de decisão na etapa de orientação;
b) Etapa orienta – o rádio cognitivo orienta-se para definir o nível de prioridade
para efetuar a mudança de seu estado, de acordo com o ocorrido no
ambiente. Estes níveis são classificados como urgente, imediato e normal;
c) Etapa planeja – depois de observado o ambiente e orientado conforme o nível
classificado, essa etapa ocorre caso o ambiente em que se encontra sofre
leves interferências e o rádio, planeja uma forma de ação para conseguir
melhorar sua forma de transmissão, ou seja, tenta instalar uma nova forma de
onda com uma taxa de bit maior de transferência;
d) Etapa decide – nesta etapa apenas é feita a decisão se ira ser mantida a
forma de onda e transmissão atual, ou se é feita a mudança para nova forma
de onda calculada;
e) Etapa atua – o rádio nesta etapa, coloca em prática as ações que foram
decididas e também se necessário, ou se o rádio permitir, ele atuará na forma
de um filtro, deixando as mensagens mais importantes passar e armazenando
as outras.
3 Outage – A condição de serviço de telecomunicações sistema no qual o usuário está completamente privado de serviços pelo sistema (DIGITRO,2010). 4 Handoff - a fase de troca de células de um usuário da telefonia móvel celular quando em deslocamento (DIGITRO,2010). 5 BER - Bit Error Rate Test. Teste para determinar o percentual de bits errados em relação ao total de bits enviados (DIGITRO,2010).
24
No final do processo, o rádio atua, aplicando as informações escolhidas e
entrando novamente no estado dormente até que alguma outra alteração no
ambiente seja detectada e habilite a necessidade do rádio em atuar no problema.
3.4 Aplicação dos rádios cognitivos
Com o desenvolvimento desta nova tecnologia inteligente em sistemas de
comunicação sem fio, como se propões os rádios cognitivos, acaba propiciando uma
gama vasta de aplicações, e consequentemente os principais setores de
telecomunicações são listados abaixo, juntamente com seus respectivos interesses
na área.
a) Governos - As agências responsáveis pelo gerenciamento do espectro
magnético como a FFC, no Reino Unido, e ITU (International Comunication
Telecom), avaliam a forma que o rádio cognitivo trata a alocação do espectro,
podendo contribuir para melhorar a eficiência de utilização do espectro, sem
que esta nova forma interfira no atual esquema de gerenciamento. Outro
pondo de interesse por parte dos governos seria a forma de contribuição
financeira dos usuários que utilizam a faixa de frequência regulamentada para
fazer transmissões através dos rádios cognitivos;
b) Militar – Devido à capacidade de atuar em uma grande faixa do espectro
eletromagnético além do serviço militar poder atuar em diversos padrões de
rádios, os rádios cognitivos se tornam um grande aliado por dois motivos, o
primeiro é poder atuar na mesma faixa de frequência das comunicações
inimigas e a outra seria pode contornar situações adversas para realizar as
comunicações;
c) Serviços públicos de assistência – Serviços como bombeiros, polícia,
ambulâncias com frequências de comunicação diferentes, poderiam
interoperar, melhorando as ações coordenadas, consequentemente
agilizando-as;
d) Serviço de comunicações móveis – a utilização dos rádios cognitivos nos
sistemas de comunicações móveis quebra umas principais barreiras impostas
nos tempos de hoje, a incompatibilidade de sistemas quando os usuários se
25
deslocam de uma cobertura para a outra. Com implementação dos rádios
cognitivos, a comutação6 entre os sistemas é praticamente transparente para
o usuário, se falar que a cobertura atual que o usuário dispõe, pode ser
aumentada consideravelmente, justamente por causa da flexibilidade que os
rádios cognitivos possuem.
3.5 Futuro dos rádios cognitivos
Os Rádios Cognitivos tem o potencial de mudar radicalmente o panorama das
comunicações sem fio. Quando essa tecnologia amadurecer os dispositivos de
Radio Frequency (RF) serão capazes de determinar o método de transmissão mais
adequado, maximizando a utilização eficaz e eficiente do espectro de frequência.
Através das novas capacidades de negociação em tempo real, tornará o espectro de
frequência uma mercadoria negociável com abertura para novos mercados.
Como mencionado anteriormente, para que estas realizações aconteçam,
diversos obstáculos terão de ser transpostos, para que a tecnologia dos rádios
cognitivos seja uma tecnologia confiável e de alto nível. Por ser uma tecnologia
emergente, os avanços em tecnologias SDR tendem a manter um ritmo de
crescimento constante, para que os benefícios para as redes sem fio sejam mais
eficazes.
Segundo Meneses, a utilização da técnica OFDM aos canais multipercurso dos
rádios cognitivos, seria de vital importância acrescentando redundância a eles,
conforme exposta por ele:
Sistemas de comunicação que ocupam largas faixas de frequência são mais suscetíveis de operarem canais com seletividade em frequência, ocasionada pelos atrasos existentes entre os multipercursos gerados pela reflexão e refração do sinal transmitido. Tal fenômeno provoca nas comunicações digitais o fenômeno conhecido como interferência inter-símbolos(IIS). A robustez da técnica OFDM aos canais com multipercursos é obtida acrescentando-se redundância aos símbolos OFDM, na forma de um prefixo cíclico.
6 Comutação - A comutação de circuitos, em redes de telecomunicações, é um tipo de alocação de recursos para transferência de informação que se caracteriza pela utilização permanente destes recursos durante toda a transmissão
26
O comprimento dessa redundância deve ser da ordem do espalhamento temporal do canal utilizado. No entanto, a eficiência na transmissão de informação efetiva pode ser perdida para canais com elevada dispersão temporal. Para se conjugar eficiência e robustez em ambientes com múltiplos percursos, equalizadores no domínio do tempo devem ser empregados. Tais equalizadores visam tornar a dispersão temporal do canal menor que a redundância cíclica inserida nos símbolos OFDM (MENEZ|ES, 2007, p. 54).
Contudo o centro de pesquisa Virginia Tech, trabalha com duas frentes de
pesquisa para novas tecnologias à serem implementadas em rádios cognitivos,
tendo como carro chefe a proposta de criar um rádios com tecnologia SDR, baseado
em SCA:
O Mobile Portable Research Group (MPRG) do Virginia Tech, trabalha com a
proposta de desenvolver uma plataforma implementada em SDR, baseada na
arquitetura Software Communications Architeture (SCA), denominada Open Source
(SCA) Integrated Embedded (OSSIE).
Visto estas pesquisas relatadas e inúmeras outras que proporcionam soluções
diferentes para tratarmos da melhor utilização do espectro de frequência, faz com
que nos fomente a querer encontrar novas maneiras de encontrar soluções e até
mesmo aperfeiçoar as existentes, a fim de amenizarmos este problema que
futuramente será agravado se não tomada estas atitudes.
27
4 REDES RÁDIO COGNITIVO
As tecnologias de rede de dados nos dias de hoje acabam limitando a
habilidade da rede em poder se adaptar ao ambiente, fazendo com não tenha um
desempenho considerado ótimo.
Tendo como embasamento (ARSLAN,2007) estas tecnologias limitadas em
estado, escopo e mecanismos de respostas, os elementos atuais das redes, como
por exemplo, políticas de acesso, protocolos e nós das redes não tem a capacidade
de fazer adaptações inteligentes, e se ocorrem estas adaptações, são depois de ser
verificado um problema, ou seja, sendo de caráter reativo.
Mediante estes problemas, surge a concepção de redes que possuem
elementos de rádios cognitivos. As redes de rádio cognitivo surgem com a finalidade
de eliminar as limitações das redes atuais, fazendo com que estas rede possa
responder de forma rápida e de forma inteligente os problemas à ela impostas. Outro
aspecto a se ressaltar é que com o passar do tempo, as novas redes sem fio,
tendem a aumentar sua complexidade, sua heterogeneidade e dinamismo no
ambiente de rádio, buscando sempre utilizar de maneira oportunista o espectro,
possibilitando que novos serviços sejam implementados e proporcionem a
interoperabilidade entre diferentes sistemas. Para que estas redes rádio cognitivo
(RRC) tenham um futuro promissor, a tecnologia que irá permitir esta implementação
é chamado de Rádios Cognitivos, conforme as características já foram abordadas
neste texto. Estas redes rádio cognitivos não são apenas redes para interconectar
usuários rádio cognitivo. Ela é composta de vários sistemas de comunicação e
redes, que utilizam as capacidades da tecnologia do rádio cognitivo para prover a
comunicação entre eles.
Segundo (ARSLAN, 2007), analisando o ponto de vista do usuário significa que
se um usuário estiver acessando a RRC, ele sempre terá atendidas as suas
solicitações, independendo do tempo e lugar. Analisando o ponto de vista dos
operadores, podemos verificar que os mesmo podem oferecer serviços melhores e
mais eficientes para os usuários móveis, como por exemplo, entregar mais pacote
por unidade de banda
28
Já do ponto de vista dos operadores, isto indica que eles podem oferecer os
melhores serviços aos usuários móveis e alocar os recursos de rádio com vista a
entregar mais pacote por unidade de banda de uma forma mais eficiente.
Portanto, para que a partir desta gama de frequências do espectro, incluindo
bandas licenciadas e não licenciadas, vinculada as tecnologias de acesso, é
necessário o desenvolvimento de protocolos de comunicação que abordem estas
características. Mediante estes aspectos, vê-se necessário uma descrição da
arquitetura de uma RCC.
Em virtude desta heterogeneidade do espectro, apresentando bandas
licenciadas e não licenciadas, várias tecnologias de acesso, entre outros aspectos,
torna-se necessário o desenvolvimento de protocolos de comunicação que abordem
tais características e para isto uma descrição da arquitetura de RRC é importante.
4.1 Arquitetura de redes rádio cognitivos
Os componentes da arquitetura de uma Rede de Rádio Cognitivo podem ser
classificados em dois grupos: a rede primária e a Rede de Rádio Cognitivo.
A rede primária (ou rede licenciada) se refere a uma rede já existente, onde os
usuários primários possuem licença para operar em certa banda de frequência. Se a
rede primária possuir uma infra-estrutura, as atividades dos usuários primários são
controladas através de estações primárias. Devido à sua prioridade de acesso ao
espectro de frequência, as operações dos usuários primários não devem ser
afetadas por usuários não licenciados.
A Rede de Rádio Cognitivo (rede secundária) não possui uma licença para
operar numa banda desejada. Por isso, uma funcionalidade adicional para os
usuários do Rádio Cognitivo é requerida para compartilharem a banda de espectro
licenciada. Redes de Rádio Cognitivo também podem ser equipadas com estações
que permitem conexão de um único salto com usuários do Rádio Cognitivo.
Finalmente, redes de Rádio Cognitivo podem incluir os chamados “spectrum
brokers” que agem distribuindo recursos do espectro de frequência através das
diferentes Redes de Rádio Cognitivo. As redes primárias e secundárias são
ilustradas na Figura 4. Nela, podemos ver a operação na banda não-licenciada que
29
coexiste com a operação na banda licenciada. Os usuários secundários (usuários do
Rádio Cognitivo) utilizam uma mesma banda que os usuários primários sem causar
interferência nas transmissões.
Figura 4 - Arquitetura de uma Rede de Rádio Cognitivo Fonte: (AKYILDIZ, LEE, et al., 2008)
4.1.1 Rede primária
A rede primária, também conhecida como rede licenciada, tem como
característica ser uma rede com infra-estrutura que possui licença, ou seja, ela
possui uma faixa do espectro com homologação de um órgão de fiscalização para
poder operar e trafegar seus dados. Quem compõe esta rede, são as estações-base
primárias e os usuários móveis.
Os usuários primários ou licenciados são aqueles que possuem a licença para
operar em uma determinada banda do espectro e o controle deste dispositivo ao
meio e realizado pela estação base atribuída ao usuário. Outro detalhe que implica
esta definição é que o usuário primário não pode sofrer qualquer tipo de interferência
de um usuário secundário. Em vista de possuir a concessão de utilização do
30
espectro, o usuário primário não necessita de funcionalidades adicionais para
coexistir tanto com os usuários quanto com as estações-base rádio cognitivo.
Já a estação base primária é um componente de infra-estrutura da rede que
possui a licença para utilizar o espectro. Esta estação base, não tem a necessidade
de possuir capacidades de compartilhar o espectro com usuários secundários.
Porém, seria interessante que ela execute protocolos que permitam acesso de
ambos os usuários.
4.1.2 Rede rádio cognitivo
A rede rádio cognitivo não tem o direito de utilização da banda licenciada do
espectro. Porém pode haver o acesso destes usuários a estas faixas de forma
oportunista. Esta parte da rede é formada por usuários rádios cognitivo e estação-
base cognitiva. Outro fator interessante desta rede é que ela pode operar tanto em
bandas licenciadas como bandas não licenciadas.
Analisando cada segmento da rede, a estação-base cognitiva, também
conhecida como estação-base não licenciada é uma estrutura fixa na rede, que
detém capacidade de cognição e também fornece através de um único salto a
conexão aos usuários secundários. É através desta conexão que os usuários
secundários podem acessar outras redes e também se comunicar entre si.
A implementação de uma arquitetura para esta rede rádio cognitiva pode ser
tanto através de uma rede de infra-estrutura quanto uma rede ad-hoc, como
podemos analisar na Figura 4.
Segundo (ARSLAN 2007), o usuário secundário acessa a estação-base não
licenciada diretamente, através de um único salto, sendo que a comunicação entre
os usuários da rede rádio cognitiva sobre a faixa de transmissão da mesma faixa de
transmissão ocorre através dela. Neste caso, a estação-base não licenciada deve
possuir a capacidade de executar diversos protocolos e padrões de comunicação
com o propósito de atender as inúmeras requisições dos usuários secundários.
Já a implementação da rede utilizando a estrutura ad-hoc, não há definida uma
infra-estrutura. Acaba com que os rádios cognitivos inseridos na rede, acabam
reconhecendo a presença de outros rádios cognitivos, realizando as conexões entre
31
si através de protocolos padrões ou mesmo de padrões de comunicação de maneira
ad-hoc, formando assim uma rede nova e conhecida entre todos os presentes na
mesma.
Analisando a diversidade existente na arquitetura de redes rádio cognitivo, vê-
se necessário implementar funcionalidades que permitam os sistemas tenham
interoperabilidade. Os requisitos para implementar acabam variando de acordo com
a característica da faixa de frequência ser licenciada ou não, tendo diferentes
ênfases à operação da rede secundária a cada uma destas faixas. De acordo com
VURAN et. al. (2008), há a proposta de classificação quanto à natureza do espectro,
o modo de operação da rede rádio cognitivo em: operação em banda licenciada e
banda não licenciada.
4.1.3 Operação em banda licenciada
De acordo com (VURAN, et. al. 2008), a rede rádio cognitivo, neste tipo de
operação e com a utilização de rádios cognitivos, busca utilizar faixas de frequência
licenciadas que oportunisticamente ficam disponíveis, para realizar suas
comunicações. Ao analisarmos a Figura 5, nota-se que rede primária e rede
secundária estão compartilhando a mesma banda do espectro e mesma região
geográfica. Portanto, como esta sendo abordado, a rede primária possui o direito da
utilização da determinada faixa de frequência, sendo que a rede secundária deve
realizar suas transmissões sem que cause interferência na rede primaria.
Alguns dos desafios que esta arquitetura projeta é que além dos rádios
cognitivos da rede secundária detectar a presença de usuários primários na
determinada faixa de frequência licenciada, ela deverá escolher o melhor canal para
realizar a sua transmissão, sem que haja interferências nestes usuários primários.
Portanto, se um usuário secundário realiza sua transmissão em uma faixa de
frequência licenciada da rede primária e, por conseguinte um usuário primário
necessite fazer uma transmissão, o usuário secundário deve liberar a faixa de
espectro utilizada e retomar a transmissão em outra faixa livre do espectro (spectrum
handoff), ou utilizar a mesma faixa, porém após a transmissão do usuário primário.
32
Figura 5 - Operação em banda licenciada Fonte: (AKYILDIZ et. al, 2006).
4.1.4 Operação em banda não licenciada
Atualmente setores não licenciados do espectro de frequência vêm
proporcionando o surgimento de inúmeras novas tecnologias. Estas bandas não
licenciadas, tais como o ISM, são compartilhada com inúmeras outras aplicações
que utilizam estas faixas de frequência para a sua transmissão, como o Wifi e o
Bluethooth. Outra preocupação com estas faixas de frequência é a questão da sua
grande utilização e por consequência a "super lotação" destas faixas. Segundo
(AKYILDIZ et. al., 2006) As interferências causadas pelas diversas redes
heterogêneas que compartilham a faixa ISM têm causado uma diminuição da
eficiência de utilização desta faixa, onde a rede rádio cognitivo pode ser projetada
para fornecer uma melhora na eficiência espectral.
A Figura 6 apresenta uma arquitetura de rede rádio cognitivo atuando na banda
não licenciada. Pode-se perceber que como não existem usuários licenciados nesta
rede, todos os usuários inseridos detêm o mesmo direito de acesso ao meio, desde
que todos obedeçam às normas estabelecidas pelas agencias reguladoras.
Com o uso dos rádios cognitivos nestas redes, podemos projetar que diversas
destas redes secundariam (não licenciadas) consigam compartilhar a mesma faixa
de frequência na mesma região, para realizar as comunicações. Portanto, a
33
utilização dos rádios cognitivos neste tipo de arquitetura concentra esforços na
detecção de transmissão de outros usuários secundários.
Outro fator importante a ser salientado é que se torna de suma importância a
utilização de métodos de compartilhamento de espectro mais inteligentes, afim de
que se possa obter uma eficiência de espectro maior e por consequência atenda
requisitos mínimos das aplicações que utilizam esta rede.
Figura 6 - Operação em banda não licenciada Fonte: (AKYILDIZ et. al, 2006).
34
5 MÉTODOS DE COGNIÇÃO
Analisado os conceitos do funcionamento do Rádio Cognitivo e sua
implementação em uma rede que utiliza os padrões funcionais nos dias de hoje,
cabe aprofundarmos o estudo desta tecnologia, a fim de ampliarmos as
possibilidades de métodos de cognição destes rádios. Para isso, o trabalho proposto
consta em analisar métodos de cognição eficazes para o funcionamento desta
tecnologia em redes que já operam com padrões estabelecidos nos dias atuais ou
com a construção de novas redes, que implementem estes novos formatos de
cognição, desde sua origem.
As redes de rádio cognitivo surgem com o intuito de utilizar o espectro de forma
eficiente, otimizando, assim, o uso do espectro limitado disponível. Nas redes de
rádio cognitivo, como já foi abordado neste trabalho, os dispositivos serão
autônomos e capazes de otimizar o uso do recurso de acordo com as suas
necessidades individuais, podendo assim acessar o espectro licenciado de forma
oportunista sem interferir com os usuários já existentes.
Por outro lado, sabemos que a as redes de rádio cognitivo e sua viabilidade no
cenário atual, vem sendo questionada, principalmente sob o aspecto da inteligência
de percepção dos terminais que usam esta tecnologia, já que os mesmos devem ser
móveis, na maioria das vezes, e dependem de utilização otimizada da sua energia
para o funcionamento. Outro fator chave para o funcionamento destas redes
baseadas em rádios cognitivos são requisitos mínimos de qualidade de serviço,
sensoriamento de uma vasta largura do espectro eletromagnético e também uma
constante atualização das informações que trafegam por este espectro, com vista de
estar sempre monitorando e atualizando a lista de canais disponíveis no meio.
Portanto como sua primordial característica, o rádio cognitivo tem capacidade
de adaptar-se ao ambiente, possibilitando ajustes na sua transmissão para
minimizar as interferências em outros sistemas inclusive no seu próprio. Porém um
problema que encontramos é referente à detecção dos sinais transmitidos pelos
usuários primários (usuários licenciados), ou seja, é a detecção de que um usuário
primário está transmitindo na mesma faixa de frequência (canal) que um usuário
35
secundário tenta realizar uma transmissão, isto no mesmo instante de tempo ou
mesma localização.
Como usuário secundário, o rádio cognitivo tem a preocupação da detecção de
transmissão tanto em relação ao tempo quanto na mesma localização geográfica.
Se analisarmos o quadro de atribuição de faixas de frequências aqui no Brasil,
conforme Figura 7 (ANATEL, 2010), podemos observar que existem lacunas livres
no espectro.
Figura 7 - Quadro de alocação de frequências no Brasil Fonte: (ANATEL, 2010).
Por exemplo, faixas de rádio difusão que não estão sendo alocadas para
transmissão em determinada cidade ou região, podem liberadas para a utilização de
equipamentos, principalmente que utilizam rádios cognitivos. Isto porque, caso haja
a necessidade de uma implementação de rádio difusão utilizando aquela faixa, os
equipamentos dotados de cognição, não terão a necessidade de ser substituídos,
visto que sua capacidade de adaptação torna a tarefa relativamente mais fácil e
transparente para o usuário final.
Contudo o intervalo de tempo em que a detecção do usuário primário ocorre,
deve ser considerada. Um exemplo que podemos citar é quando existe um
transmissor local ativo por muito tempo e em contra partida aparelhos que não
transmitem nesta frequência licenciada começam a compartilhar o mesmo espectro
de frequência. A consequência disto é que estes aparelhos não licenciados deixam
36
de transmitir, pois as janelas que estariam livres do usuário primário ficam cada vez
mais escassas.
E se o tempo de coerência7 do canal for mais curto que o tempo de detecção
do rádio cognitivo, a correta determinação da desocupação da faixa poderá ser
impossível. Desta forma, o rádio cognitivo que possuir um algoritmo de detecção
com baixa eficácia terá problemas se o espectro estiver disponível durante intervalos
de tempo curtos.
Mais um aspecto de que ser levado em conta para que os métodos de
cognição tenham a eficácia desejada, é o tempo que o rádio leva para perceber e
efetivamente realizar a mudança de canal.
5.1 Sensoriamento do espectro
Como já descrito no texto, os Rádios Cognitivos tem a capacidade de se
atualizar, tanto através de softwares (SDR), como por mecanismos mais avançados
que estão ligados diretamente ao hardware, fazendo leituras do ambiente externo e
mudando seus parâmetros para a transmissão. Contudo, estas duas maneiras de
interagirem com o sistema, partem de uma premissa em comum, no qual a principal
finalidade é analisar o meio que será transmitido, em outras palavras, fazer o
sensoriamento do espectro.
Em resumo, o sensoriamento do espectro é realizado a fim de determinar a
porção do espectro disponível para a transmissão. Esta identificação das porções
livres do espectro de frequência, já visa à verificação da existência de usuários
primários licenciados.
A detecção confiável do acesso de usuários licenciados ao espectro é uma
tarefa crucial em um sistema de rádios cognitivos que objetiva o compartilhamento
do espectro, já que a confiabilidade está diretamente ligada à quantidade de
interferência que o sistema primário encontra devido à presença de usuários não
licenciados.
7 Tempo de Coerência – Trata-se de uma medida estatística do intervalo de tempo durante o qual a resposta ao impulso do canal pode ser considerada como invariante ou, de maneira análoga, é o intervalo de tempo dentro do qual os sinais recebidos possuem grande correlação de amplitude.
37
Alguns dados importantes devem ser levados em consideração nesta etapa do
sensoriamento do espectro. Segundo (MENDES 2010), algumas medidas deve ser
tomadas para este bom funcionamento. Todos os protocolos do sistema secundário
devem garantir que todos os nós estarão em silêncio, isto é, não estarão
transmitindo nada, durante o ciclo de sensoriamento periódico para detecção de
acessos.
Caso considere-se o pior caso, assumimos que não há necessariamente uma
linha de visada (line of sight) entre o usuário licenciado transmitindo e o usuário não
licenciado realizando a detecção. Isso implica que no caso trivial em que há linha de
visada entre os dispositivos, a detecção ocorre de forma simples, mas no caso geral,
não só uma instância central do sistema não licenciado (ponto de acesso ou access
point), mas todos os terminais a rede de rádios cognitivos em uma área devem
realizar medições e trocar essas informações para minimizar a interferência da rede
secundária (não licenciada) causada na rede primária como um todo.
Analisando estas probabilidades podemos assumir que os sinais recebidos
pelos usuários não licenciados durante a detecção seguem uma distribuição normal,
podendo assim garantir uma confiabilidade de detecção da ordem de 99.9 %, sendo
necessária para que detentores de faixas de frequência licenciadas concordem em
permitir o compartilhamento do espectro.
Portanto, quando a detecção ocorre de forma distribuída, observa-se também
que a probabilidade de alarme falso, ou seja, a detecção errada de um acesso ao
espectro quando este não ocorreu, é minimizada. Esta característica é importante na
obtenção da melhor vazão possível no sistema não licenciado, ao se utilizar todas as
faixas de freqüência, oportunidades disponíveis. Segundo (Dutra 2010), um lado
negativo da detecção distribuída é a quantidade enorme de informações de
medições realizadas pelos terminais durante o período de detecção que precisam
ser transmitidas para o ponto de acesso do sistema não licenciado.
O próximo passo é escolher o melhor canal disponível. As etapas de
gerenciamento e divisão do espectro cruzam as informações dos canais disponíveis
com as necessidades dos usuários, só então é permitido o acesso de usuários não-
licenciados. Caso a presença do usuário licenciado seja detectada ao longo do
gerenciamento da conexão, o usuário não-licenciado desocupa o canal.
Depois de compreendido o funcionamento do sensoriamento espectral,
podemos afirmar que para que esta técnica tenha um eficiente funcionamento é
38
necessário que seja percebida alterações no ambiente de forma rápida e confiável.
Por isso, podemos dividir a técnica de sensoriamento de espectro em três classes:
detecção no transmissor, detecção cooperativa e a detecção baseada em
interferência.
5.1.1 Detecção do transmissor
Devido ao rádio cognitivo ter que detectar diferentes tipos de sinais, com
diversos níveis de potência e largura de banda. Um dos requisitos e desafios da
tarefa de sensoriamento na camada física é a detecção de um sinal fraco do usuário
primário em uma larga faixa de frequência através de observações locais do usuário
secundário. A seguir, denotam-se alguns dos métodos destacados na detecção do
transmissor, onde se utiliza o seguinte modelo de hipóteses (1) descrito em
(AKYILDIZ, et al., 2008), onde r(t) denota o sinal recebido pelo rádio cognitivo, x(t) é
o sinal transmitido pelo usuário primário, n(t) se refere ao Ruído Aditivo Branco
Gaussiano (AWGN) e h é o ganho de amplitude do canal. H0 e H1 tratam-se das
hipóteses de ausência e presença, respectivamente, de usuário primário em uma
dada faixa do espectro.
(1)
5.1.1.1 Detecção por filtros casados
Na medida em que o usuário secundário obtém as informações do sinal do
usuário primário, bem como suas características, o detector ótimo, mesmo na
presença de ruído branco gaussiano estacionário. Este detector ótimo trata-se do
filtro casado, tendo em vista que ele maximiza a razão SNR (relação sinal ruído). As
informações que o usuário secundário pode obter do sinal são: tipo de modulação,
formato dos pacotes, forma de pulso, dentre outras.
39
Além disso, segundo (AKYILDIZ 2006), ele necessita de pouco tempo para
alcançar um bom ganho de processamento, devido à coerência, visto que somente
(1/SNR) amostras são necessárias para atender a uma determinada probabilidade
de falso alarme, em relação a outros métodos de detecção. No entanto, com este
método é necessário que o rádio cognitivo tenha conhecimento a priori das
características de sinalização do usuário licenciado para que ele faça a devida
demodulação do sinal recebido.
Caso estas informações não estejam disponíveis, o filtro casado apresenta um
desempenho pobre. Ademais, de acordo com (ARSLAN 2007) visto que o usuário
secundário precisa receber todos os tipos de sinais, realizarem a implementação de
uma unidade complexa de sensoriamento torna-se bastante difícil. Além do que se
terá um considerável consumo de potência dos dispositivos para que os vários
algoritmos de recepção sejam executados.
5.1.1.2 Detecção de energia
Tendo em vista que usuário secundário não consegue obter elementos
suficientes sobre espectro de frequência e o sinal do usuário licenciado, a forma de
se abordar este problema de forma mais simplificada é executar a detecção não
coerente utilizando este método de detecção, chamado de detecção de energia.
Utilizando uma abordagem citada por (CORDEIRO,2007), este esquema recebe
bastante atenção e acaba sendo o método mais comum e utilizado de
sensoriamento de espectro devido ao baixo custo computacional e complexidade de
implementação, além de ser mais genérico, não necessitando de informações
anteriores do sinal de usuário primário
Com esta abordagem de detecção, o sinal é detectado pela comparação da
saída do detector de energia com um dado limiar que depende da potência do ruído
presente. Verifica-se então que este esquema é suscetível à incerteza da potência
do ruído. Com isto, segundo (ARSLAN, 2007), o detector de energia não trabalha
eficientemente para detectar usuários primários que utilizam a técnica de
espalhamento espectral nas transmissões dos seus sinais.
40
Apesar de ser simples e rápido, ele não consegue distinguir usuários primários
de usuários secundários. Com isto, ele pode gerar falsos alarmes provocados por
sinais involuntários. No entanto, para resolver este problema o padrão IEEE 802.22
introduziu o conceito de período sossegado, durante o qual os usuários rádio
cognitivos não podem utilizar o espectro licenciado para transmitir, apenas os
usuários licenciados podem estar presentes na banda do espectro avaliada
(CORDEIRO, et al., 2007). Assim, executando o sensoriamento dentro do período
sossegado elimina-se tal problema.
A Figura 8 (ARSLAN, 2007) mostra o diagrama de blocos típico de um detector
de energia. Pode-se percebe que para medir a energia do sinal recebido, a rigor de
potência, a saída do sinal do filtro passa-banda com largura de banda W é elevada
ao quadrado. Posteriormente é integrada sobre o intervalo de observação T, para
que posteriormente seja comparada com um dado limiar e resultar em uma das
hipóteses de existência ou não de usuários primários, denotadas por H1e H0,
respectivamente, na banda do espectro avaliada.
Figura 8 - Diagrama de Blocos de um característico detector de energia
Fonte: (ARSLAN, 2007)
5.1.1.2.1 Algoritmo Multitaper
Quando abordado as técnicas de detecção de energia para possíveis soluções
para sensoriamento de espectro, alguns estudos se mostram aprofundados e
recentemente testados nos meios acadêmicos como forma de fundamentação dos
avanços que a tecnologia envolvendo os RC vem apresentando. Um destes estudos
se dá através do Algoritmo Multitaper.
Segundo Thais (ALMEIDA, 2010), o Algoritmo Multitaper que teve inicio com o
pesquisador Thomson, trata-se de um algoritmo que expande parte do tempo em
41
série, conhecido como sequência de Slepian. Estas sequências possuem a
transformada de Fourier com base, a fim de reduzir a variância da estimativa do
espectro sem comprometer a sua parcialidade.
Como forma de exemplificá-lo, podemos descrever abaixo o seu método de
funcionamento, conforme (SENSOR, 2010):
Para um dado vetor recebido de tamanho N, é necessário determinar
as seguintes entidades:
a) Uma sequência ortogonal de janelas L Slepian denotado por ;
b) O eingenspectro associado definido pela transformada de Fourier
A concentração da distribuição de energia do eingenspectro estão dentro de
uma largura de banda de resolução 2W. Os graus de liberdade disponíveis para o
controle de variância da estimação do espectro são indicados pelo produto tempo
largura definido como:
O tradeoff entre a resolução espectral e a variância é regulado pela escolha
dos parâmetros p e L. Com base no eingenspectro podemos definir uma estimativa
espectral da seguinte forma:
onde é o autovalor associado ao eingenspectro /-th.
42
5.1.1.2.2 Detecção de energia com a utilização de Wavelets
Semelhante ao método Multitaper, a abordagem de Wavelets proposto em
(TIAN; GIANNAKIS, 2006) estima o espectro. Wavelets são amplamente utilizados
no processamento de sinal e imagem por captar singularidades nos sinais, tais como
bordas de imagens digitais. As bordas das faixas de rádio no espectro poderiam ser
consideradas como singularidades, como nas imagens digitais. O problema geral é
identificar os locais de frequência de não-sobreposição de bandas do espectro e
decidir se eles são disponíveis ou não. O método de estimação do espectro de
(TIAN: GIANNAKIS 2006) será descrita brevemente:
Suponha que o espectro total a ser estimado constitui um total de B Hz na faixa
de frequência .
Suponha que o sinal recebido ocupe N bandas consecutivas do espectro, com
seus limites localizados na . A ‘enésima’ banda é definida como
.
Posteriormente são realizadas algumas hipóteses, como:
a) os limites de frequência e = + B são conhecidos do rádio
cognitivo.
b) o número de bandas de N e os locais de são desconhecidos
para o rádio cognitivo.
c) a densidade de potência espectral (PSD) dentro de cada banda é
quase plana, mas apresenta descontinuidade de suas bandas vizinhas.
d) o ruído aditivo branco, média zero, PSD
A densidade espectral de potência normalizada, na ausência de ruído, é
aproximada como:
O PSD do sinal recebido é então dado por:
43
Onde é a densidade de potência do sinal da enésima banda. A
transformada contínua de Wavelet de é dada por , onde
“*” nos submete a uma convolução.
Portanto, a suposição de (TIAN, 2006), para estimar os limites da frequência é:
Portanto a média da densidade de potência espectral de banda é:
O sinal de densidade de potência é estimado como:
5.1.2 Detecção cooperativa
Nos métodos de detecção abordados anteriormente, considerou-se que o
sensoriamento dava-se de forma não cooperativa, sendo que a informação obtida
por um usuário rádio cognitivo (RC) devido ao sensoriamento de uma dada faixa do
espectro em uma determinada área geográfica, não era compartilhada com os
demais usuários secundários.
Visto a falta de interação entre os usuários, primários e secundários, as
localizações dos receptores dos usuários primários são desconhecidas. Com isto, as
técnicas de detecção dos transmissores não evita a interferência nos receptores
primários, levando sempre em consideração que estes são dispositivos passivos.
A Figura 9 nos exemplifica esta situação, onde os usuários secundários
acabam realizando o sensoriamento e consequentemente realiza a sua transmissão,
causando uma interferência no usuário primário. Este problema acaba por ocorrer
devido o usuário secundário não conseguir detectar a presença do receptor primário,
visto que o mesmo se encontra fora da área de cobertura do usuário secundário.
44
Figura 9 - Interferência no Receptor Primário Fonte: (AKYILDIZ, 2006)
A detecção do transmissor não consegue prevenir o problema do terminal
escondido. Mesmo tendo uma visão direta relativamente boa para o receptor, o
usuário secundário não tem a capacidade de detectar o transmissor primário devido
ao efeito de sombreamento. Este sombreamento é causado pela presença de um
obstáculo entre estes dois usuários, ou até mesmo causado pela perda de potencia
do sinal do usuário primário, conforme a Figura 10.
Segundo (ARSLAN 2007): (AKYILDIZ 2006), a detecção cooperativa é vista
como uma possível solução para reduzir estes problemas que acabam por surgir no
sensoriamento do espectro e que por fim acabam degradando o desempenho dos
métodos de detecção de usuários primários. Estas perdas de desempenho, tais
como incerteza do ruído, desvanecimento do sinal devido ao multi-percurso,
sombreamento, entre outros, visa a melhoria com a utilização da detecção
cooperativa, minimizando a incerteza obtida no sensoriamento realizado por um
único usuário rádio cognitivo.
45
Figura 10 - Problema do terminal escondido Fonte: (AKYILDIZ, 2006)
Com esta forma de detecção, os usuários secundários obtêm informações que
são compartilhadas entre si, sendo encorpados para que os usuários presentes em
uma banda do espectro consigam obter uma melhor identificação destes usuários.
Além disso, tal abordagem reduz o tempo de sensoriamento do usuário secundário,
devido às informações adquiridas de outros usuários. Em (AKYILDIZ 2008) mostra-
se uma avaliação do ganho obtido pela utilização da estratégia de cooperação em
um ambiente onde um grupo de usuários secundários tenta detectar um transmissor
de TV na banda de 700MHZ.
A abordagem cooperativa, apesar de proporcionar melhorias nos esquemas de
detecção de usuários primários, possui algumas desvantagens como a necessidade
de utilização de recursos do sistema para a realização de trocas de mensagens
informando os resultados do sensoriamento entre os usuários rádio cognitivo,
provocando assim um overhead de tráfego, necessidade de controle do canal, maior
complexidade do sensor e sistema de cooperação (ARSLAN, 2007).
É notório também evidenciar a questão da presença dos chamados usuários
maliciosos que afetam significantemente a performance do sensoriamento
cooperativo e propõe uma alternativa para a identificação de tais dispositivos. Um
usuário malicioso é um rádio cognitivo que, devido a algum mau funcionamento do
dispositivo ou em virtude de suas próprias razões, envia e compartilha resultados
errados de sensoriamento.
Contudo, temos ainda outra forma de analisar a detecção cooperativa. Ela
pode ser implementada de duas formas segundo (FETTE,2006). Estas duas formas
de implementar a detecção cooperativa são a centralizada ou a distribuída.
46
Analisando cada uma das formas, na forma centralizada, as informações de
sensoriamento obtidas dos usuários secundários são coletadas e armazenadas em
uma entidade central e esta executa as regras e identifica quais as faixas de
espectro disponíveis, indicando aos usuários dos rádios cognitivos os buracos
existentes no espectro. Nesta etapa também que são informadas ao usuário outras
informações que são pertinentes da fase de sensoriamento. Na Figura 11 temos a
ilustração deste tipo de detecção cooperativa, onde está disposto o seguinte modelo.
Os seguintes usuários secundários: US1, US2 e US5, não conseguem detectar a
presença do sinal do usuário primário, devido ao efeito do sombreamento dos
obstáculos presentes.
No entanto, como os usuários não licenciados US3, US4 possuem uma visão
direta para o usuário primário, os resultados do sensoriamento deles são enviadas
ao Controlador RC, entidade central que coleta e envia estas informações aos outros
usuários rádio cognitivo, a fim de evitar que estes utilizem a faixa do espectro que
está sendo utilizada pelo usuário primário e o prejudique na sua comunicação.
Já na detecção cooperativa distribuída, os usuários secundários trocam
informações entre si, de maneira ad-hoc, sem a utilização de uma entidade central
para gerenciar tais resultados do sensoriamento. Com isto, cada usuário rádio
cognitivo executa as suas próprias decisões para saber qual porção do espectro ele
pode utilizar.
Figura 11 - Detecção cooperativa centralizada Fonte: (AKYILDIZ, 2006).
47
5.2 Framework de gestão do espectro
Framework conceitual é um conjunto de conceitos usado para resolver um
problema de um domínio específico. Framework conceitual não se trata de um
software executável, mas sim de um modelo de dados para um domínio.
Segundo (AKYILDIZ 2008) para que um Rádio Cognitivo seja operacional, ele
deve fazer uma gestão eficiente do espectro, decidindo a melhor faixa de frequência
a ser usada, procurar frequências não utilizadas no espectro, compartilhar esses
espectro com outros Usuários Cognitivos e respeitar a prioridade dos usuários
primários quanto a utilização do espectro licenciado. As Redes de Rádio Cognitivo
devem levar em conta os seguintes itens:
a) evitar interferência: redes de Rádio Cognitivo devem evitar interferência com
redes primárias;
b) sensibilidade à QoS: para decidir uma banda de espectro apropriada, Redes
de Rádio Cognitivo devem suportar comunicações sensíveis à QoS,
considerando o ambiente heterogêneo e dinâmico do espectro;
c) comunicação transparente: Redes de Rádio Cognitivo devem prover uma
comunicação transparente independentemente da aparência da rede
primária.
Para contornar esses problemas algumas funcionalidades devem estar
presentes nas Redes de Rádio Cognitivo. A gestão do espectro consiste em quatro
principais passos, também mostrados na Figura 12:
a) detecção de espectro;
b) decisão de espectro;
c) compartilhamento de espectro;
d) mobilidade de espectro.
48
Figura 12 - Gestão do Espectro Fonte: Autoria Própria, 2010
5.2.1 Detecção de espectro
Um usuário Rádio Cognitivo pode alocar, em determinado momento, somente
uma porção não usada do espectro. Desse modo, um usuário secundário deve
monitorar o espectro, capturar sua informação e detectar porções não utilizadas do
espectro.
Como já vimos neste texto, às principais técnicas de detecção do espectro são:
detecção de transmissor primário, detecção de receptor primário e gestão de
interferência. Porém, como abordado também, sabemos que existem problemas que
devem ser investigados para que a técnica de detecção de espectro seja
desenvolvida com maior qualidade. Abaixo podemos listas:
a) medição e analise da interferência: Como sabemos existe uma falta de
comunicação confiável entre as redes primárias e as redes rádio cognitivo
que se deve ao fato da falta de interação entre estas redes. Geralmente um
usuário secundário não tem a total certeza da localização dos receptores ou
transmissores da rede primária. Esta incerteza se deve ao fato de possíveis
atenuações no sinal ou até mesmo de interferências da própria rede
secundaria nos elementos da rede primária, sendo então necessária esta
análise de interferência em tempo real por parte da rede secundária;
49
b) detecção de espectro em redes multiusuários: A grande quantidade de
interações entre os usuários de rede primária e rede secundária acaba por
tornar difícil a varredura e alocação de uma faixa de frequência liberada para
realizar uma transmissão dentro desta rede de multiusuários. Mediante estas
dificuldades, se torna necessário a implementação de algoritmos para uma
melhor organização no momento de transmissão, para que haja maiores
possibilidades de transmissão entre estes usuários.
c) detecção da eficiência de espectro: a detecção não pode ser realizada
enquanto pacotes estiverem sendo transmitidos, pois a arquitetura tradicional,
em que apenas um elemento transmissor com tecnologia cognitiva está
transmitindo, não é possível encerrar esta transmissão, alterar sua faixa no
espectro e começar a transmitir novamente. Deve-se apenas realizar uma
transmissão por vez.
Usuários Rádio Cognitivo devem parar de transmitir enquanto estiver
detectando, o que diminui a eficiência do espectro. Balancear a eficiência do
espectro e a acurácia da detecção é uma questão importante.
5.2.2 Decisão de espectro
Usuários Rádio Cognitivo podem alocar um canal baseado na disponibilidade
do espectro. A alocação de uma parte do espectro depende tanto de políticas
internas como concessões externas.
Portando a Decisão de Espectro tem em vista o desenvolvimento de medidas
técnicas de aplicação dos rádios cognitivos nos domínios da reserva de espectro de
radiofrequências e da disponibilidade de informações nas redes secundárias.
As faixas disponíveis em todo o espectro possuem características únicas que
podem variar com o decorrer do tempo, sendo necessário caracterizar cada porção
disponível, sempre levando em consideração o ambiente que é dinâmico do
espectro, como largura de banda e frequência. Devido a este fato é essencial a
definição de parâmetros para diferenciar cada porção do espectro.
Porém, alguns problemas ainda são encontrados quanto á decisão de
espectro, tais como:
50
a) modelo de decisão: existem técnicas que utilizam a Relação Sinal-Ruido para
estimar a capacidade do espectro e tomar a decisão de utilizar a faixa
escolhida e transmitir. Porém somente esta análise não se mostra eficiente
para caracterizar esta faixa e a rede de rádio cognitivo usá-la para transmitir,
conforme (AKYILDIZ et. al. 2008);
b) cooperação com a reconfiguração: alguns RC tem a capacidade de habilitar a
reconfiguração de alguns parâmetros de transmissão do equipamento para
que seja feita operação de forma ideal, na faixa do espectro escolhida pelo
próprio rádio;
5.2.3 Compartilhamento de espectro
As medidas a serem tomadas no compartilhamento do espectro se dão pelo
fato de haver a possibilidade da existência de vários usuários secundários (usuários
rádio cognitivo) tentando o acesso ao espectro no mesmo instante de tempo e na
mesma faixa. Por este motivo o acesso ao meio deve ser coordenado e organizado
para não existirem colisões de dois ou mais usuários na mesma faixa.
A natureza de um canal sem fio requer a coordenação de tentativas de
transmissão entre os usuários de Rádio Cognitivo. Os problemas decorrentes do
compartilhamento de espectro podem ser separados por quatro aspectos: a
arquitetura, comportamento de alocação de espectro, técnica de acesso de espectro
e escopo (AKYILDIZ et. al., 2008).
Mediante estes detalhes, faz-se a necessidade de encontrar algumas tentativas
para a resolução deste problema:
a) controle do canal comum: sabe-se que um Controle do Canal Comum facilita
bastante as funcionalidades no compartilhamento. Mas como sempre existe a
troca de canais pelos usuários secundários sempre que um usuário primário
deseja transmitir, a criação deste controle de canal de modo fixo é impossível,
pois um canal que seja comum para ambos os usuários é muito instável e
varia com o tempo;
51
b) alcance dinâmico de rádio: devido à interdependência entre o alcance do
rádio e a freqüência, os vizinhos de um nó (rede) podem mudar assim que a
freqüência de operação muda. Portanto, deve-se levar em consideração a
questão da freqüência em Redes de Rádio Cognitivo;
c) unidade de espectro: quase todas as técnicas de decisão e compartilhamento
de espectro consideram o canal como a unidade básica de espectro. Uma
definição de um canal como um espectro é crucial no desenvolvimento de
algoritmos;
d) localização da informação: é necessário uma maior certeza nos cálculos da
localização dos usuários secundários quanto a potencia de transmissão e
localização dos usuários primários dentro de uma rede multiusuários.
5.2.4 Mobilidade de espectro
Os Rádios Cognitivos tem a capacidade de transmitir através de canais
disponíveis no espectro, sem causar interferência na comunicação de usuários
primários. Quando a transmissão do usuário secundário se trona indisponível,
devido a uma transmissão de um usuário primário licenciado, ele deve possuir a
habilidade de comutar para uma faixa de frequência que esteja livre e assim retomar
a sua comunicação.
Este processo tem o nome de mobilidade do espectro, e o fenômeno que se dá
é chamado de spectrum handoff. O principal objetivo é manter a transparência na
comunicação. A transição entre um espectro e outro deve ser rápida e simples
levando a uma degradação mínima de desempenho.
Segundo Vuran et. al. (2008), problemas para a eficiência na mobilidade de
espectro são encontrados, e podem ser descrito como os principais, os citados
abaixo:
a) mobilidade de espectro no tempo: como os canais disponíveis variam com o
tempo, habilitar QoS nesse ambiente é um problema;
b) mobilidade de espectro no espaço: a disponibilidade de banda também muda
quando um usuário move de um lugar para o outro. Por isso, alocação
contínua de espectro é um problema.
52
A Figura 13 ilustra o framework de gestão do espectro utilizando o modelo OSI
simplificado.
Figura 13 - Framework de Gestão do Espectro para Redes de Rádio Cognitivo Fonte: (AKYILDIZ, et al.,2008)
53
6 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS
Tendo em vista o estudo proposto neste trabalho, percebe-se que o espectro
de frequência, que apesar de ser um recurso natural reutilizável, vem sendo
ocupado de maneira equivocada e muitas vezes mal distribuídas entre os usuários
do espectro. A rede de Rádios Cognitivos vem sendo desenvolvidas a fim de
resolver estes problemas através de uma exploração oportunista do espectro de
frequência utilizado para estas comunicações sem fio. Estas novas redes que estão
sendo implementadas, com a utilização de Rádios Cognitivos, irão fornecer outro
conceito de comunicação sem fio, através das novas funcionalidades que serão
implementadas, tais como a detecção, a análise, a decisão e também a mobilidade
do espectro.
Entretanto, para a solução que os Rádios Cognitivos virão apresentar se torne
viável para a realidade das comunicações sem fio é necessário que se tenha um
avanço nas tecnologias empregadas nos rádios como circuitos integrados,
conversores A/D e também um avanço na tecnologia dos dispositivos de RF (Rádio
Frequência), pois se necessita do Rádio Cognitivo uma operação em uma faixa
maior de frequências para que possa realizar a varredura do espectro.
Junto destas novas tecnologias para a otimização do acesso ao meio, tem-se o
problema referente à distribuição do espectro de frequência pelos órgãos
reguladores. Tanto a ANATEL como a FCC vem disponibilizando soluções legais e
impondo medidas que fazem com que os Rádios Cognitivos tenham maior liberdade
em acessar frequências licenciadas que são utilizadas pelos usuários primários.
Porém, muitas vezes, estes órgãos encontram barreiras do ponto de vista político
que impedem estas alterações, pois mesmo com os estudos dos Rádios Cognitivos
apresentando resultados satisfatórios, os detentores das frequências licenciadas não
vêm como possibilidade a transmissão dos usuários secundários sem que haja
alguma interferência nas transmissões do usuários primários.
Portanto, com um cenário atual configurado, entre fabricantes, órgãos de
licenciamento e desenvolvedores de tecnologias, têm-se a capacidade de analisar
quais dos estudos mais recentes sobre os métodos de cognição que serão
empregados nos Rádios Cognitivos mostram maior confiabilidade com relação à
garantia de transmissão e que futuramente possam ser adotados ou aperfeiçoado
54
para que esta tecnologia seja difundida. Podemos também concluir que um ponto a
ser estudado e fundamentado posteriormente trata do estudo do aumento de
potência nos rádios e quantidade de frequências abrangidas pelo equipamento, pois
futuramente os métodos de cognição terão de abranger uma quantidade maior de
informações referentes ao sensoriamento do espectro, pois com o passar do tempo,
a quantidade de usuários acessando ao meio, tende sempre a aumentar.
Juntamente com esta disponibilidade de novos equipamentos que viabilizam
algumas funções de cognição implementadas em seu hardware, os rádios que são
implementados através de Software podem auxiliar para um desempenho mais
satisfatório em termos de transmissão. Com o estudo proposto e através das
soluções que são cabíveis de implementação, teremos as condições de avaliar as
melhores formas de conciliar estas duas tecnologias que estão em ascensão no
cenário atual.
Visto todas as grandes potencialidades do rádio cognitivo e suas tecnologias
de softwares de cognição, será uma questão de tempo para eles efetivamente
tomarem uma posição confiável no cenário atual, fazendo também, com que outras
áreas do ramo, como por exemplo, a fabricação de antenas compatíveis a esta nova
tecnologia, acelerem o desenvolvimento e fabricação dos seus componentes,
fazendo com que os rádios cognitivos assumam a preferência nas redes de
comunicação sem fio.
A seguir serão expostos trabalhos futuros que poderão ser desenvolvidos a
partir do estudo realizados neste trabalho:
Estes trabalhos compreendem em abordar uma maior investigação nas
arquiteturas de Rádios Cognitivos já existentes e que foram citadas nesse trabalho,
realizando um comparativo entre as mesmas e apontando as principais diferenças,
vantagens e desvantagens de cada uma, assim como os problemas que cada uma
poderá apresentar.
Seguindo a linha de programação de SDRs, poderá ser realizado a
implementação com o software MATLAB dos algoritmos apresentados nesta
pesquisa, o Algoritmo Multitaper e a Detecção de Energia com a utilização de
Wavelets.
Além da programação destes softwares, poderá ser testados modelos de SDRs
implementados em KITS de FPGA, para uma futura modulação em Circuitos
Integrados.
55
Utilizar uma rede de Rádios Cognitivos para realizar o monitoramento e
compartilhamento do espectro, afim de monitorar o tempo de resposta dos rádios
para a percepção e alteração do canal para transmissão.
56
REFERÊNCIAS
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57
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