Resumo

Neste trabalho, o problema sensoriamento de espectro da DTV (televiso digital) estudado, que desempenha um papel-chave em rdio cognitivo. Em contraste com a abordagem existente de estatsticas de ordem superior (HOS), propomos um mtodo eficiente de deteco de espectro mais robusta, que se baseia na estatstica JB (Jarque-Bera). Nos nossos estudos, o detector existente muitas vezes no pode ser robusto devido o tamanho da amostra que pequeno. Nosso detector JB proposto justificado heuristicamente superior para os sinais de microfone simulados, bem como os sinais reais DTV. Alm disso, tambm apresentada a anlise de complexidade computacional para a nossa proposta de um novo detector JB e o detector HOS. Em ltima anlise, o teste de normalidade e a anlise espectral so fornecidos para justificar a vantagem de nosso mtodo de deteco do espectro proposto.

I Introduo

Sempre existiu a necessidade de servios de comunicaes para altas taxas de dados. Dada a limitao natural do espectro de frequncia, torna-se bvio que os atuais regimes de atribuio esttica de frequncias no conseguem acomodar a exigncia dos usurios sobre as altas taxas de dados. Como resultado, so necessrias tcnicas inovadoras que possam oferecer novas maneiras de explorar o espectro disponvel. A crescente demanda por conectividade sem fio e a lotao dos espectros no licenciados levaram as agncias reguladoras a serem mais agressivas na criao de novas maneiras de usar os espectros de forma mais sensata [1]. Assim, rdio cognitivo (ver [2], [3]) surge como uma soluo vivel para o problema mencionado de congestionamento espectral atravs da introduo do uso oportunista das bandas de frequncia que no so fortemente ocupadas pelos usurios licenciados [4], [5]. Uma das caractersticas mais importantes do rdio cognitivo [6] a capacidade de medir, sentido, aprender e estar ciente dos parmetros relacionados com as caractersticas do canal de rdio. Os usurios primrios podem ser definidos como os usurios que tm uma maior prioridade ou direitos legais sobre o uso de uma parte especfica do espectro disponvel. Por outro lado, os usurios secundrios, que tm uma prioridade mais baixa, exploram o espectro de maneira que eles no interferem os usurios primrios. Portanto, os usurios secundrios precisam ter capacidades cognitivas, tais como sentir o espectro de forma confivel para verificar se ele est sendo usado por um usurio primrio.Como consequncia, um grupo de trabalho chamado IEEE 802.22 foi criada para desenvolver um padro para rdio cognitivo baseado em interface PHY/MAC/ar para dispositivos alvos isentas de licena. A meta para esses dispositivos compartilhar o espectro que j foi alocado para servios de broadcast de televiso digital (DTV). O sistema proposto chamado de rede wireless de rea regional (WRAN), cuja rea de cobertura pode ser estendida at 30 milhas (aproximadamente 48 quilometros). Para implementar o rdio cognitivo sem causar interferncia com os sinais licenciados, os usurios devem ser capazes de detectar a presena de sinais licenciados, ainda que com uma baixissima relao sinal-rudo (SNR). O grupo WRAN IEEE 802.22 estabeleceu uma equipe principal de deteco para ser responsvel por sensoriamento de espectro, incluindo o sensoriamento do espectro para sinais DTV modulados sujeitos aos padres de televiso digital ATSC [7], [8]. Alm disso, microfones sem fio de baixa potncia so sinais secundrios habituais licenciados operando em bandas DTV no utilizadas. Portanto, a principal tarefa em sensoriamento de espectro para os sistemas IEEE 802.22 WRAN detectar a existncia de sinais de TV digital, bem como os sinais de microfone sem fio que operam nas faixas de frequncias DTV.A SNR alvo para uma boa sensibilidade de sensoriamento do espectro de cerca de -20 dB [4], [9]-[13], o que significa que alguns dos sinais licenciados devem ser detectados com uma SNR muito baixa. Isso reflete o grande desafio, deteco de sinal fraco, no sensoriamento de espectral. Alm disso, o tempo de desvanecimento e disperses do canal da rede sem fio e o rudo/variaes de interferncia iro tambm trazer dificuldades para o sensoriamento espectral, tais como flutuao da energia do sinal, incertezado rudo, e assim por diante [1], [4], [14] - [16 ].Para combater o problema de sensoriamento do espectro com as dificuldades mencionadas, tm sido propostos vrios mtodos, tais como a abordagem de filtragem adaptada [1], [14], [15], a abordagem de deteco caracterstica [17],[18], e a abordagem de deteco de energia [14], [19]-[22]. Para a tcnica de filtragem adaptada possvel maximizar a SNR. No entanto, difcil para a portadora efetuar a deteco do sinal sem informao sem a estrutura principal e perifrica do pacote. Para o mtodo de deteco de caractersticas que se baseia em ciclo-estacionariedade, a informao de sinal deve ser conhecida para ter sucesso. No entanto, na prtica, um receptor de rdio cognitivo pode no saber nada sobre a estrutura e as informaes do sinal primrio. Por outro lado, para o mtodo de deteco de energia, embora no necessite de qualquer informao sobre o sinal a ser detectado, que seria propenso a falsa deteco, uma vez que s se baseia nas caractersticas de energia de sinal [21], [22]. Quando as variaes de tempo do sinal manifesta ou o rudo grande, este mtodo insuficiente para distinguir entre ausncia do sinal, ou sua presena. Alm de que a deteco de energia no interessante para detectar a correlao de sinais (parcialidade), e que so frequentemente encontrados na prtica. Para superar as dificuldades da tcnica de deteco de engia, alguns mtodos so baseados na associao de autovalores com a matriz covariante de sinal recebido, como proposto em [4], [9], [23]. Portanto, as complexidades computacionais so grandes. O mtodo baseado na esttistica de alta ordem (HOS) foi proposto e promissor especialmente em condies de baixa SNR [24]. Neste artigo, propomos um sensoriamento espectral baseado na estatstica Jarque-Bera (JB). A complexidade computacional deste novo mtodo muito menor comparada ao mtodo HOS enquando sua perfomance muito mais eficaz que a tcnica HOS e em todas as condies de SNR e diferena de tamanhos das amostras de sinais. Este mtodo pode funcionar perfeitamente quando a SNR muito baixa e a amostra do sinal baseada em simulaes Monte Varlo no so grandes. Neste sensoriamento de espectro h um grande potencial para ser base na tecnologia futura de rdios cognitivos.

II Modelo do Sistema

Denotaremos o sinal contnuo no tempo recebido por $r_{c}(t)$ durante o estgio de sensoriamento. O sinal usado do usurio primrio denotado por $s_{c}(t)$ e $w_{c}(t)$ o rudo aditivo gaussiano branco (AWGN). Em que temos:

\begin{equation}r_{c}(t) = s_{c}(t) + w_{c}(t)\end{equation}

O problema para a deteco de sinal (o sensoriamento), envolve duas hipteses: $H_{0}$ sinal est ausente, h apenas rudo, e $H_{1}$ sinal est presente, junto com o rudo. Os sinais de tempo discreto recebidas no mbito dessas duas hipteses

\begin{equation}H_{0}: r(n) = w(n)H_{1}: r(n) = s(n) + w(n)\end{equation}

onde r(n indica as amostras do sinal recebido incluindo o efeito de perda parcial, desvanecimento e disperso, e $w(n)$ o rudo AWGN em tempo discreto com mdia zero e variancia de \sigma^{2}. Aqui s(n) pode ser a sobrepoo de sinais emitidos pelos multiplos usurios primrios. Quando o sinal r(n) recebido, consiste em multiplas fontes, que usualmente modelada como sinal correlacionado. Assim podemo assumir que o sinal e o rudo so no correlacionados um com o outro. O problema do sensoriamento espectral est em determinar o sinal s(n) existente ou no, baseado nas amostras recebidas r(n).III Tcnicas eficientes de sensoriamento espectral

A deteco de sinal fundamental mas intigrante em telecomunicaes, processamento de sinais, etc. A hipotese Bayesiana serve como teoria base para rameworks de deteco de sinal. Porm, o Bayesianismo classificado como possvel apenas quando a informao estatstica completa previamente conhecido pelo sinal analisado. Se isto no acontecer, impossivel pratic-lo. Temos ainda a funo de levantamento da densidade de probabilidades (ou estatstica da informao completa), que uma otimizao de Bayer, mas que depende de uma grande quantidade de dados e no interessante para um baixo custo, baixa potencia, e para mobiles. Entre outras tcnicas, propomos um novo sensoriamento espectral baseado em Jarque-Bera, com um metodo mais robusto especialmente com amostras de tamanho pequenos.

A Algoritmo de sensoriamento espectral Estatistica de Alta Ordem (HOS)

Basedo na estatstica de rudo Gaussiano, o HOS pode ser usada para avaliar o quo bem o teste de distribuio da estatstica corresponde a uma distribuio de Gauss. Neste mtodo, o sinal recebido convertido em banda base e, em seguida, filtrada. Em seguida, a frequncia principal nominal ATSC nivelado com o DC e o sinal convertido para banda basica novamente filtrado por um filtro passa-baixa de banda estreita. O sinal resultante transformado em domnio de frequncia utilizando a transformada rpida de Fourier (FFT). Muitas vezes, recomendado utilizar um valor de FFT 2048 pontos, uma vez que tambm utilizada o modulador/demodulador OFDM para os sistemas de difuso digital de vdeo.