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Redes de Rádios Cognitivos: Arquiteturas, Sensoriamento Espectral
e Questões Regulatórias
Minicurso Simpósio Brasileiro de Telecomunicações
Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012
Rafael Kunst, Cristiano Both, Lucas Bondan, Maicon Kist, José Jair Santanna, Leonardo Faganello,
Lisandro Granville, Juergen Rochol
Agenda
① Introdução e Evolução das Redes Sem Fio
② Redes de Rádios Cognitivos
③ Arquiteturas para Acesso ao Espectro
④ Políticas de Acesso ao Espectro
⑤ Demonstração de Aplicações
⑥ Considerações Finais
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Introdução
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Introdução
§ Aplicações demandam elevadas taxas de
transmissão
§ É necessário levar serviço de banda larga até as
zonas rurais
§ Espectro de frequências está cada vez mais escasso
§ Acesso dinâmico ao espectro de frequências
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Redes Locais - WLAN
WPAN, WMAN, WRAN
Técnicas de Acesso
WWANs/Integração
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Pesquisa Básica 70:
80:
90:
00:
10+:
1a. Geração Celular
2a. Geração Celular
3a. Geração Celular
4a. Geração Celular
Introdução
Evolução dos Sistemas Sem Fio
Redes de Voz
Redes de Dados
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Agenda
① Introdução e Evolução das Redes Sem Fio
② Redes de Rádios Cognitivos
③ Arquiteturas para Acesso ao Espectro
④ Políticas de Acesso ao Espectro
⑤ Demonstração de Aplicações
⑥ Considerações Finais
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Redes de Rádios Cognitivos
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Introdução
§ Redes de próxima geração demandam banda larga
§ IEEE 802.22 surge como uma opção para WRAN
§ Serviços de banda larga fixo
§ Cobertura cidade e zona rural
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Redes de Rádios Cognitivos
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Introdução (cont.)
§ Rádios cognitivos possibilitam o acesso dinâmico
ao espectro de frequências
§ Usuários primários (licenciados) e secundários
(oportunistas) compartilham o espectro
§ Usuários secundários devem ser capazes de adaptar
a frequência de transmissão dinamicamente
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Redes de Rádios Cognitivos
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Fundamentação Teórica
§ A política atual de alocação do espectro colabora
para o problema da escassez
§ A alocação do espectro é definida por agências
governamentais (Anatel, FCC, etc)
§ Grande parte do espectro está alocado, porém
subutilizado [39]
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Redes de Rádios Cognitivos
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Histórico
§ 2002: Nos Estados Unidos a FCC propôs a
exploração de canais de TV para prover acesso de
banda larga em zonas rurais
§ 2004: Canais 5 a 13 (VHF) e 15 a 51 (UHF)
foram reservados
§ 2009: padrão IEEE 802.22 foi publicado
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Redes de Rádios Cognitivos
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Modelo de Referência do Padrão IEEE 802.22 [40]
(Radio Software)
Níveis superiores como TCP/IP
SM-GL SAP
SM-SSF SAP
M-S
AP
C
-SA
P
CS-SAP
MAC-SAP
PHY-SAP
MAC Common Part Sublayer (CPS)
Security sublayer 1
Management Information
Base (MIB)
Database Service
Security sublayer 2
Netw
ork Control S
ystem (C
PE
/BS
) S
ecurity Features
Convergence Sublayer (Ex.: 802.1d)
Plano Cognitivo
Plano de Dados
Plano de Controle e
Gerenciamento
Spectrum Sensing Function
(SSF)
Geolocation
B2/C2
B2/C2
B4/C4
Bx: BS (Base Station)
B1/C1
B3/C3
B4/C4
B1/C1
CX: CPE (Customer Premise Equipment)
B3/C3 Nível de Enlace
Nível Físico
Escopo IEEE 802.22
(CPE ou BS) Spectrum Maneger (SM) BS
+Spectrum Sensing Automaton (SSA) BS e CPE
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Redes de Rádios Cognitivos
§ Camada Física:
§ Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) com 2048 subportadoras
§ Largura de banda: 6, 7, or 8 MHz
§ Suporta Time Division Duplex (TDD), podendo
incluir Frequency Division Duplex (FDD) no futuro
§ Não suporta organização das antenas tipo
Multiple Input Multiple Output (MIMO)
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Redes de Rádios Cognitivos
§ Codificação de Canal:
§ Códigos Convolucionais são obrigatórios
§ Podem ser aplicados Turbo Codes e Low Density Parity Check (LDPC)
§ Entrelaçamento de bloco
§ Modulações: BPSK, QPSK e QAM
§ 14 Modulation and Coding Schemes (MCS)
§ 12 para transmissão de dados
§ 2 para envio de mensagens de controle
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Redes de Rádios Cognitivos
§ Camada MAC:
§ Orientada à conexão
§ Upstream: compartilhado usando DAMA
(Demand Assigned Multiple Access)
§ Algoritmo de escalonamento deve ser proposto
§ Downstream: escalonamento simples
§ Dados organizados em slots consecutivos
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Redes de Rádios Cognitivos
§ Camada MAC (cont.):
§ Tecnologias tradicionais implementam:
§ Sincronização, ranging, negociação de capacidade,
autorização, registro, configuração de conexão
§ IEEE 802.22 inclui também:
§ Geolocalização, base de dados de acesso,
sensoriamento espectral inicial, sincronização
entre redes e descoberta de vizinhos
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Redes de Rádios Cognitivos
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Funções Cognitivas
§ Dois tipos de usuários: primários e secundários
§ Requer a implementação de mecanismos para:
§ Coexistência entre os usuários
§ Gerenciamento do sensoriamento espectral
§ Gerenciamento da geolocalização
§ Dynamic Spectrum Access (DSA)
§ Coexistência entre redes através do Coexistence Beacon Protocol (CBP)
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Redes de Rádios Cognitivos
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Funções Cognitivas (cont.)
§ Usuários secundários devem implementar quatro
técnicas para lidar com a escassez espectral:
1. Determinar porções não utilizadas do espectro
2. Selecionar o melhor canal dentre os disponíveis
3. Compartilhar o acesso com outros usuários
4. Liberar o canal quando um usuário primário desejar
transmitir
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Cam
ada de Enlace
Redes de Rádios Cognitivos
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Funções Cognitivas [52]
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Energia Frequência
Tempo
Livre
Livre Livre
Cam
ada Física
Sensoriamento
Compartilhamento
Decisão Mobilidade
Atividades dos usuários primários
Requisição de adaptação
Relatório de reconfiguração do rádio
• Quatro funções definidas p a r a p o s s i b i l i t a r a implementação dessas técnicas
Sensoriamento Cicloestacionário
Detecção de Formato de Onda
Funções Cognitivas
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Sensoriamento Espectral [46]
Detecção de Energia
Identificação de Rádio
Filtragem Casada
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Funções Cognitivas
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Compartilhamento Espectral [52]
Unidade Central
Centralizado [53]
Requisição/Resposta - Políticas
Usuário secundário
Área de compartilhamento espectral
Distribuído [54] Colaborativo [52]
Base de Políticas
Mapa de alocação espectral
Base de Políticas
Network #1 Network #2
Base de Políticas
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Funções Cognitivas
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Decisão Espectral [56]
§ Usuário secundário seleciona o melhor canal
disponível
§ Leva em consideração a situação do canal
§ Interferências
§ Erros
§ Atrasos Simpósio Brasileiro de Telecomunicações
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Funções Cognitivas
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Mobilidade Espectral [52]
§ Alteração na configuração do dispositivo
§ Recebe informações da função de decisão espectral
§ Realiza o handoff espectral
§ A duração do handoff deve ser conhecida pelos
usuários secundários para evitar interferências
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Pesquisas em Rádio Cognitivo
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Controle de Acesso ao Meio [57]
§ Três abordagens principais:
§ Bootstrap: definição de qual canal será analisado[60, 64]
§ Canal de controle e gerenciamento
§ Dedicado a informações de controle [58, 59, 61, 62, 63, 65,
66, 67]
§ Dividido entre controle e dados [68, 69]
§ Sensoriamento simultâneo em múltiplos canais
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Pesquisas em Rádio Cognitivo
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Escalonamento de Tráfego dos Usuários Secundários
§ Duas abordagens principais:
§ Centralizada [70, 71, 72]
§ Teoria das filas
§ Decisão baseada em cadeias de Markov
§ Distribuído [73, 74]
§ Sensoriamento colaborativo
§ Troca de mensagens
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Pesquisas em Rádio Cognitivo
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Controle de Admissão Espectral
§ Tipicamente centralizado
§ Principais abordagens:
§ Controle de admissão baseado na energia [75]
§ Minimização da interferência [76]
§ Maximização da vazão [77]
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Pesquisas em Rádio Cognitivo
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Aplicações de Rádios Cognitivos
§ A principal aplicação atual é acesso de banda larga
§ Poucos trabalhos focam em outras aplicações
§ Wang [78] propôs o principal deles, focando em:
§ Smart Grid
§ Segurança pública
§ Redes celulares
§ Aplicações médicas
Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012
Agenda
① Introdução e Evolução das Redes Sem Fio
② Redes de Rádios Cognitivos
③ Arquiteturas para Acesso ao Espectro
④ Políticas de Acesso ao Espectro
⑤ Demonstração de Aplicações
⑥ Considerações Finais
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Redes de Rádios Cognitivos
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Software Defined Radio (SDR) [55]
§ Interface de rádio flexível
§ Processamento de sinais pode ser implementado em software
Codificação D/A Entrelaçamento Modulação Filtragem
Codificação A/D Entrelaçamento Modulação Filtragem
Transmissor
Receptor
Canal Σ
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Arquiteturas para Acesso ao Espectro
Universal Software Radio Peripheral (USRP)
§ Transforma computadores de propósito geral em
plataformas de hardware para execução de SDR
§ Placa-mãe contendo uma FPGA
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Arquiteturas para Acesso ao Espectro
Universal Software Radio Peripheral (USRP)
§ Conversores A/D de 14 bits
e D/A de 16 bits
§ Amostragens de
até 25MHz
§ Suporte a MIMO
através de placas-filhas
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Arquiteturas para Acesso ao Espectro
Software Communications Architecture (SCA)
§ Desenvolvida pelo Departamento de Defesa dos
EUA
§ Independência de hardware
§ Reuso de software
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Arquiteturas para Acesso ao Espectro
Software Communications Architecture (SCA)
§ Framework Central:
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Arquiteturas para Acesso ao Espectro
Open Source SCA Implementation Embedded (OSSIE)
§ Gera código no formato especificado pela SCA
§ Projetada para ensino e pesquisa
§ Possui uma GUI, chamada de Waveform Developer
§ Possui um depurador, chamado ALF
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Arquiteturas para Acesso ao Espectro
GNU Radio
§ Plataforma open source mais utilizada em pesquisas
§ Implementação modular através de blocos
interconectáveis
§ Compatível com USRP e SCA
§ GUI: GNU Radio Companion
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Arquiteturas para Acesso ao Espectro
Sora
§ Desenvolvido pela Microsoft
Research Asia
§ Implementado através de um
hardware conectado à
placa-mãe de computadores:
Radio Control Board (RCB)
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Arquiteturas para Acesso ao Espectro
Iris
§ Foco em flexibilidade e SDR reconfigurável
§ Utiliza componentes que podem ser interligados
§ Três engines para possibilitar reconfiguração:
§ PHY Escalonado
§ PHY Flexível
§ Pilha de Rede
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Arquiteturas para Acesso ao Espectro
Comparativo entre as arquiteturas
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Arquitetura Hardware Dedicado
Sistema Operacional GUI Linguagens
OSSIE X Unix X Phyton/C++
GNU Radio X Windows/Unix X Phyton/C++
Sora X Windows C++
Iris X Windows/Unix C++
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Agenda
① Introdução e Evolução das Redes Sem Fio
② Redes de Rádios Cognitivos
③ Arquiteturas para Acesso ao Espectro
④ Políticas de Acesso ao Espectro
⑤ Demonstração de Aplicações
⑥ Considerações Finais
37 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012
Políticas de Acesso ao Espectro
Gerenciamento de Redes de Rádios Cognitivos
§ Arquitetura:
§ Local
§ Global
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Figura adaptada de [40]
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Políticas de Acesso ao Espectro
Gerenciamento Local
§ Grande quantidade de dados
§ Informações do Usuário
§ Informações de Contexto
§ Informações de Política
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Políticas de Acesso ao Espectro
Gerenciamento Global
§ Garantir que as políticas sejam seguidas
§ Perfil de usuário
§ Contexto
§ Políticas
§ Configurações
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Figura adaptada de [79]
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Políticas de Acesso ao Espectro
Especificações do padrão IEEE 802.22 [40]
§ Gerência local
§ Informações mantidas no formato de uma MIB
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Grupo Funcionalidade
wranDevMib Detalha objetos que serão gerenciados na BS e no CPE
wranIfBsMib Operação da BS, baseada no modelo FCAPS
wranIfBsSfMgmt Configuração, instanciação e gerência
wranIfCpeMib Define objetos para gerência dos CPEs
wranIfSmMib Gerência do espectro de frequências
wranIfSsaMib Configuração e operação do Spectrum Sensing Automaton
wranIfDatabaseServiceMib Acesso e interação com o banco de dados
Políticas de Acesso ao Espectro
CREMS
§ Cognitive Reconfigurable Equipment Management System
§ Proposto em 2007
§ Stavroulaki et al. [80]
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Políticas de Acesso ao Espectro
CTMS
§ Cognitive Terminal Management System [81]
§ Stavroulaki et al. propôs em 2008, baseado no CREMS
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Políticas de Acesso ao Espectro
CRNM
§ Cognitive Radio Network Management
§ Proposto em 2008
§ Wang et al. [82]
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Agenda
① Introdução e Evolução das Redes Sem Fio
② Redes de Rádios Cognitivos
③ Arquiteturas para Acesso ao Espectro
④ Políticas de Acesso ao Espectro
⑤ Demonstração de Aplicações
⑥ Considerações Finais
45 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012
Agenda
① Introdução e Evolução das Redes Sem Fio
② Redes de Rádios Cognitivos
③ Arquiteturas para Acesso ao Espectro
④ Políticas de Acesso ao Espectro
⑤ Demonstração de Aplicações
⑥ Considerações Finais
46 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012
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Considerações Finais
§ Evolução das redes sem fio
§ Principais tecnologias sem fio
§ Importância dos rádios cognitivos
§ Funções cognitivas e arquiteturas
§ Políticas de acesso ao espectro
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Referências
[1] Weagant, A. Some Recent Radio Sets of the Marconi Wireless Telegraph Company of America. Proceedings of the IRE, vol 1, no 4, December 1913, pp. 43-61 [2] Mengel, T. Tracking the Earth Satellite, and Data Transmission, by Radio. Proceedings of the IRE, vol 44, no 6, June 1956, pp. 755-760 [3] Berman, A. Multiple-Carrier Behavior of a Frequency-Selective Ferrite Limiter Communications. IEEE Transactions on [legacy, pre – 1988], vol. 12, no 2, June 1964, pp. 138-150 [4] Sekimoto, T.; Puente, J. A Satellite Time-Division Multiple-Access Experiment Communications. IEEE Transactions on [legacy, pre – 1988], vol 16, no 4, August 1968, pp. 581-588 [5] Arnstein, D. Power Division in Spread Spectrum Systems with Limiting Communications. IEEE Transactions on [legacy, pre – 1988], vol 27, no 3, March 1979, pp. 574-582 [6] N. Abramson, The ALOHA System Final Technical Report, Advanced Research Projects Agency, Contract Number NAS2-6700, October 11, 1974. [7] Smethurst, E. Effect of grain size on the microwave and infrared transmission properties of polycrystalline yttrium-iron-garnet. IEEE Transaction on Magnetics, vol 6, no 3, September 1970, pp. 618-618 [8] Kleinrock, L.; Tobagi, F. Packet Switching in Radio Channels: Part I--Carrier Sense Multiple-Access Modes and Their Throughput-Delay Characteristics. IEEE Transactions on Communications [legacy, pre – 1988], vol 23, no 12, December 1975, pp. 1400-1416 [9] Morgan, P.; Hannah, M.; Collins, H. Spread-spectrum synchronizer using a SAW convolver and recirculation loop. Proceedings of the IEEE, vol 64, no 5, May 1976, pp. 751-753 [10] Shaft, P. Low-Rate Convolutional Code Applications in Spread-Spectrum Communications. IEEE Transactions on Communications [legacy, pre – 1988], vol 25, no 8, August 1977 pp. 815-822 [11] ISO, International Standards for Business, Government and Society. Disponível em <http://www.iso.org/iso/home.htm>, 2007. [12] Hanson, L.; Bronell, E. Human factors evaluation of calling procedures for the advanced mobile phone system (AMPS). IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol 28, no 2, May 1979 pp. 126-131 [13] Callendar, H.; Donald, I. Network design for a fully automatic wide area radiotelephone service. IEEE Vehicular Technology Conference, 1979, vol 29, 27-30 March, pp. 245-252 [14] Kirby, R. International standards in radio communication. IEEE Magazine Communications, vol 23, no 1, January 1985 pp. 12-17 [15] Mallinder, T. Specification methodology applied to the GSM system. 8th European Conference on Area Communication (EUROCON), 13-17 June 1988, pp. 458-461
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Referências
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