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` Rádios Cognitivos: Conceitos Básicos Minicurso Introdução à Redes Sem Fio Inteligentes Semana Acadêmica 2013/1 Cristiano Both, Rafael Kunst, Lucas Bondan,

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1 ` Rádios Cognitivos: Conceitos Básicos Minicurso Introdução à Redes Sem Fio Inteligentes Semana Acadêmica 2013/1 Cristiano Both, Rafael Kunst, Lucas Bondan, Maicon Kist, Leonardo Faganello, Lisandro Granville, Juergen Rochol

2 ① Introdução a Redes de Rádios Cognitivos ② Aprendizado em Rádios Cognitivos ③ Funções Cognitivas ④ Cenários de Utilização ⑤ Considerações Finais 2 Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

3 3 Introdução  Redes de próxima geração demandam banda larga  Serviços de banda larga (vídeo, voz e dados)  Cobertura cidade e zona rural (WPANs, WLANs, WMANs, WRANs)  Demanda por espectro de frequências gera escassez deste recurso Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

4 4 Introdução (cont.)  A política atual de alocação do espectro colabora para o problema da escassez  A alocação do espectro é definida por agências governamentais (Anatel, FCC, etc)  Grande parte do espectro está alocado, porém subutilizado [39] Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

5 5 Utilização do Espectro nos Estados Unidos Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

6 6 Utilização do Espectro nos Estados Unidos  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 foi publicado Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

7 ① Introdução a Redes de Rádios Cognitivos ② Aprendizado em Rádios Cognitivos ③ Funções Cognitivas ④ Cenários de Utilização ⑤ Considerações Finais 7 Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

8 8 Aprendizado em Rádios Cognitivos  Rádio cognitivo é um termo proposto por Mitola em 1999 que designa rádios inteligentes  RC tomam decisões baseadas no ambiente de RF usando um modelo de raciocínio  Podem aprender com suas experiências passadas  Devem ser self-aware, context-aware e content-aware Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

9 9 Aprendizado em Rádios Cognitivos  Bakssiny et al. (2013) Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013 Técnicas de Aprendizagem Não Supervisionadas Aprendizagem por Reforço Métodos Bayesianos Teoria dos JogosSupervisionadasRedes Neurais Máquina de Vetores

10 10 Aprendizado em Rádios Cognitivos  Não Supervisionado  Permite aprendizagem autônoma  Não demanda conhecimento prévio sobre o ambiente  Supervisionado  Conhecimento prévio é necessário  Por exemplo: formato de uma onda Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

11 11 Aprendizado em Rádios Cognitivos  Rádio cognitivo utiliza este aprendizado para prover 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  4 funções cognitivas são definidas Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

12 ① Introdução a Redes de Rádios Cognitivos ② Aprendizado em Rádios Cognitivos ③ Funções Cognitivas ④ Cenários de Utilização ⑤ Considerações Finais 12 Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

13 13 Funções Cognitivas  Dois tipos de usuários: primários e secundários  Requer a implementação de mecanismos para:  Coexistência entre os usuários  Gerenciamento do sensoriamento espectral  Gerenciamento da geolocalização  Dynamic Spectrum Access (DSA)  Coexistência entre redes através do Coexistence Beacon Protocol (CBP) Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

14 14 Funções Cognitivas (cont.)  Usuários secundários devem implementar quatro mecanismos para lidar com a escassez espectral: 1.Determinar porções não utilizadas do espectro 2.Selecionar o melhor canal dentre os disponíveis 3.Compartilhar o acesso com outros usuários 4.Liberar o canal quando um usuário primário desejar transmitir Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

15 Camada de Enlace 15 Funções Cognitivas [52] Energia Frequência Tempo Livre Camada Física Sensoriamento Compartilhamento Decisão Mobilidade Atividades dos usuários primários Requisição de adaptação Relatório de reconfiguração do rádio Quatro funções definidas para possibilitar a implementação dessas técnicas Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

16 16 Sensoriamento Espectral [46] Sensoriamento Espectral Detecção do Sinal do Transmissor Sensoriamento Cooperativo Baseado na Interferência Sensoriamento Cicloestacionário Detecção de Formato de Onda Detecção de Energia Identificação de Rádio Filtragem Casada CentralizadoDistribuído Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

17 Yucek, T.; Arslan, H.;, "A survey of spectrum sensing algorithms for cognitive radio applications," Communications Surveys & Tutorials, IEEE, vol.11, no.1, pp , First Quarter 2009 Sensoriamento Cicloestacionário Detecção de Formato de Onda 17 Sensoriamento Espectral [46] Detecção de Energia Identificação de Rádio Filtragem Casada Técnica mais utilizada Compara a energia percebida do sinal com um limite Simples e barata Conhecimento sobre as características do sinal do usuário primário é necessário Não diferencia o sinal do usuário primário do ruído Técnica mais utilizada Compara a energia percebida do sinal com um limite Simples e barata Conhecimento sobre as características do sinal do usuário primário é necessário Não diferencia o sinal do usuário primário do ruído Baseada no reconhecimento de padrões Obtida pela correlação entre o sinal recebido e uma cópia previamente conhecida deste sinal Demanda conhecimento sobre os padrões de sinais, o que nem sempre está disponível Muito aplicado através do reconhecimento do padrão de preâmbulo dos sinais Baseada no reconhecimento de padrões Obtida pela correlação entre o sinal recebido e uma cópia previamente conhecida deste sinal Demanda conhecimento sobre os padrões de sinais, o que nem sempre está disponível Muito aplicado através do reconhecimento do padrão de preâmbulo dos sinais Utiliza a periodicidade dos sinais Pode ser introduzida intencionalmente para permitir o sensoriamento espectral Técnica robusta em cenários com elevada quantidade de ruídos e interferências Demanda muitos recursos de processamento Tempo para detecção elevado Utiliza a periodicidade dos sinais Pode ser introduzida intencionalmente para permitir o sensoriamento espectral Técnica robusta em cenários com elevada quantidade de ruídos e interferências Demanda muitos recursos de processamento Tempo para detecção elevado Reconhecimento da tecnologia utilizada pelos usuários primários Demanda conhecimento completo sobre o sinal transmitido pelos usuários primários Trabalha em conjunto com outras técnicas Detecção de energia [47, 48] Detecção de formato de onda [49] Reconhecimento da tecnologia utilizada pelos usuários primários Demanda conhecimento completo sobre o sinal transmitido pelos usuários primários Trabalha em conjunto com outras técnicas Detecção de energia [47, 48] Detecção de formato de onda [49] Método ótimo para detecção, quando o sinal do usuário primário é conhecido [50] Pouco tempo é necessário para o sensoriamento Requer conhecimento perfeito das características do sinal do usuário primário Frequência de operação, técnica de modulação, formato do quadro, etc [51] Método ótimo para detecção, quando o sinal do usuário primário é conhecido [50] Pouco tempo é necessário para o sensoriamento Requer conhecimento perfeito das características do sinal do usuário primário Frequência de operação, técnica de modulação, formato do quadro, etc [51] Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

18 18 Compartilhamento Espectral [52] Unidade Central Centralizado [53] Requisição/Resposta - Políticas Usuário secundário Área de compartilhamento espectral Distribuído [54]Colaborativo [52] Mapa de alocação espectral Base de Políticas Network #1Network #2 Base de Políticas Base de Políticas Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

19 19 Decisão Espectral [56]  Usuário secundário seleciona o melhor canal disponível  Leva em consideração o histórico do canal  Interferências  Média de utilização  Atrasos/Jitter Selecionado Analisa o passado Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

20 20 Mobilidade Espectral [52]  Alteração na configuração do dispositivo ( Handoff espectral )  Recebe informações da função de decisão espectral  A duração do handoff deve ser conhecida pelos usuários secundários para evitar interferências Selecionado Handoff Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

21 ① Introdução a Redes de Rádios Cognitivos ② Aprendizado em Rádios Cognitivos ③ Funções Cognitivas ④ Cenários de Utilização ⑤ Considerações Finais 21 Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

22 22 PHY - SAP MAC - SAP CS - SAP Plano de DadosPlano de Gerenciamento e Controle Plano Cognitivo Função de Sensoriamento Espectral (SSF) Geolocalização (GL) SM-SSF SAP SM-GL SAP M- SAP C- SAP Gerenciamento e Controle da RedeFerramentas de Segurança da Rede Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

23  Camada Física:  Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) com 2048 subportadoras  Largura de banda: 6, 7 ou 8 MHz  Suporta Time Division Duplex (TDD), podendo incluir Frequency Division Duplex (FDD) no futuro  Não suporta organização das antenas tipo Multiple Input Multiple Output (MIMO) 23 Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

24  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 24 Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

25  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 25 Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

26  Camada MAC (cont.):  Tecnologias tradicionais implementam:  Sincronização, ranging, negociação de capacidade, autorização, registro, configuração de conexão  IEEE inclui também:  Geolocalização, base de dados de acesso, sensoriamento espectral inicial, sincronização entre redes e descoberta de vizinhos 26 Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

27  Superquadro IEEE : 27 Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013 Superquadro n-1Superquadro nSuperquadro n+1 … … 160ms Quadro 0 Quadro 1 Quadro 14 Quadro 15 … 10ms Preâmbulo do Superquadro Preâmbulo Quadro CabeçalhoPreâmbulo Quadro Fonte: Norma IEEE

28  Superquadro IEEE Coexistência: 28 Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013 Superquadro n-1Superquadro nSuperquadro n+1 … … 160ms Quadro 0 Quadro 1 Quadro 15 … WRAN 0 WRAN 1

29 29 Fonte: Norma WRAN IEEE

30 30  Coexistência entre tecnologias nas faixas ISM Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

31 31  Redes de Sensores Sem Fio e Industriais (TDMA)  Modelagem Poisson [83]  Alocação Q-Learning [84] e Q-Noise [85] Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

32 32 Características  Pode ser aplicado em redes celulares e redes de quarta geração  Utilizar a capacidade sobressalente no canal  Sensoriamento baseado na capacidade do canal  Ideal para serviços Best Effort, mas há soluções pensando em QoS Dados 1 Dados 2 Dados 3 Mapas Livre Preâmbulo Subcanais (Frequência) Símbolos OFDM (tempo) Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

33 ① Introdução a Redes de Rádios Cognitivos ② Aprendizado em Rádios Cognitivos ③ Funções Cognitivas ④ Cenários de Utilização ⑤ Considerações Finais 33 Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

34  Importância dos rádios cognitivos  Conceitos de cognição  Funções cognitivas e arquiteturas  Cenários de utilização 34 Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

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43 ` Obrigado! Perguntas? Rafael Kunst Minicurso Introdução à Redes Sem Fio Inteligentes Semana Acadêmica 2013/1


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