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

3 Redes de Rádios Cognitivos
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 Redes de Rádios Cognitivos
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 Redes de Rádios Cognitivos
Utilização do Espectro nos Estados Unidos Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

6 Redes de Rádios Cognitivos
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 Agenda Introdução a Redes de Rádios Cognitivos
Aprendizado em Rádios Cognitivos Funções Cognitivas Cenários de Utilização Considerações Finais Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

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

10 Redes de Rádios Cognitivos
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 Redes de Rádios Cognitivos
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 Agenda Introdução a Redes de Rádios Cognitivos
Aprendizado em Rádios Cognitivos Funções Cognitivas Cenários de Utilização Considerações Finais Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

13 Redes de Rádios Cognitivos
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 Redes de Rádios Cognitivos
Funções Cognitivas (cont.) Usuários secundários devem implementar quatro mecanismos para lidar com a escassez espectral: Determinar porções não utilizadas do espectro Selecionar o melhor canal dentre os disponíveis Compartilhar o acesso com outros usuários 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 Redes de Rádios Cognitivos
Funções Cognitivas [52] Mobilidade Decisão Camada de Enlace Quatro funções definidas para possibilitar a implementação dessas técnicas Compartilhamento Energia Frequência Camada Física Livre Atividades dos usuários primários Livre Livre Requisição de adaptação Tempo Relatório de reconfiguração do rádio Sensoriamento Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

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

17 Sensoriamento Cicloestacionário
Funções Cognitivas Sensoriamento Espectral [46] Detecção de Energia Detecção de Formato de Onda Sensoriamento Cicloestacionário Identificação de Rádio Filtragem Casada 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 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] 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] 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 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 Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

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

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

20 Funções Cognitivas 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 Agenda Introdução a Redes de Rádios Cognitivos
Aprendizado em Rádios Cognitivos Funções Cognitivas Cenários de Utilização Considerações Finais Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

22 Cenário 1: IEEE 802.22 BD Camadas Superiores Subcamada de Convergência
Plano Cognitivo Plano de Dados Plano de Gerenciamento e Controle Camadas Superiores BD CS - SAP Gerenciamento Espectral (SM) Subcamada de Convergência Management Information Base (MIB) M- SAP MAC - SAP Subcamada Comum Gerenciamento e Controle da Rede Ferramentas de Segurança da Rede SM-SSF SAP SM-GL SAP PHY - SAP PHY C- SAP Função de Sensoriamento Espectral (SSF) Geolocalização (GL) Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

23 Cenário 1: IEEE 802.22 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) Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

24 Cenário 1: IEEE 802.22 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 Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

25 Cenário 1: IEEE 802.22 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 Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

26 Cenário 1: IEEE 802.22 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 Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

27 Cenário 1: IEEE 802.22 Superquadro IEEE 802.22: 160ms …
Superquadro n-1 Superquadro n Superquadro n+1 … 10ms … Quadro 0 Quadro 1 Quadro 14 Quadro 15 Preâmbulo do Superquadro Preâmbulo Quadro Cabeçalho Preâmbulo Quadro Fonte: Norma IEEE Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

28 Cenário 1: IEEE 802.22 Superquadro IEEE 802.22 - Coexistência: 160ms …
Superquadro n-1 Superquadro n Superquadro n+1 … Quadro 0 … Quadro 15 WRAN 0 WRAN 1 Quadro 1 Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

29 Quadro IEEE Fonte: Norma WRAN IEEE

30 Cenário 2: Frequências ISM
Coexistência entre tecnologias nas faixas ISM Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

31 Cenário 3: Redes de Sensores Sem Fio
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 Cenário 4: OFDMA 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 Subcanais (Frequência) Preâmbulo Dados 2 Mapas Dados 1 Dados 3 Livre Símbolos OFDM (tempo) Semana Acadêmica do Instituto de Informática Porto Alegre, 22 a 24 de maio de 2013

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

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

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