Lisandro Granville, Juergen Rochol 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 Introdução a Redes de Rádios Cognitivos Funções Cognitivas Arquiteturas para Acesso ao Espectro Gerenciamento de Rádios Cognitivos Cenários de Utilização Pesquisas em Rádios Cognitivos Considerações Finais Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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] Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Redes de Rádios Cognitivos Utilização do Espectro nos Estados Unidos Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Redes de Rádios Cognitivos Introdução (cont.) Rádio cognitivo é um conceito que possibilita 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 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Redes de Rádios Cognitivos Questões Regulatórias 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 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Redes de Rádios Cognitivos Questões Regulatórias no Brasil Recomendações e decretos em vigor: Lei n. 9472 de 1997 LGT: Lei Geral das Telecomunicações Decreto n. 4.901 (2003): Sistema Brasileiro de TV digital Recomendação ITU-R, BT.798-1: Canalização VHF e UHF Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Redes de Rádios Cognitivos Questões Regulatórias no Brasil Anatel ainda não regulamentou faixas de frequência para RC A implantação de TV Digital deve colaborar para esta regulamentação Com a digitalização, faixas de frequência devem ser liberadas para RC Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Redes de Rádios Cognitivos Canais de TV Digital 6 MHz Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Redes de Rádios Cognitivos Canais UHF e VHF Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Agenda Introdução a Redes de Rádios Cognitivos Funções Cognitivas Arquiteturas para Acesso ao Espectro Gerenciamento de Rádios Cognitivos Cenários de Utilização Pesquisas em Rádios Cognitivos Considerações Finais Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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) Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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.116-130, 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 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Agenda Introdução a Redes de Rádios Cognitivos Funções Cognitivas Arquiteturas para Acesso ao Espectro Gerenciamento de Rádios Cognitivos Cenários de Utilização Pesquisas em Rádios Cognitivos Considerações Finais Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Arquiteturas para Acesso ao Espectro Importância das Arquiteturas Os dispositivos devem se adaptar às mudanças É necessário que os dispositivos aprendam com o passado A implementação do conceito de Rádios Cognitivos demanda software e hardware Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Arquiteturas para Acesso ao Espectro Software Defined Radio (SDR) [55] Interface de rádio flexível que pode ser implementada tanto em software, quanto em hardware Permite a implementação do handoff espectral Codificação Entrelaçamento Modulação Filtragem D/A Transmissor Σ Canal Codificação Entrelaçamento Modulação Filtragem A/D Receptor Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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 Pode ser utilizado em qualquer rede de RC Computador Placa Filha de Transmissão A/D D/A FPGA A/D D/A Placa Filha de Transmissão Placa Filha de Recepção A/D D/A A/D D/A Placa Filha de Recepção Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Arquiteturas para Acesso ao Espectro Software Communications Architecture (SCA) Desenvolvida pelo Departamento de Defesa dos EUA Independência de hardware Reuso de software A1 A2 A3 A4 A5 Middleware CORBA SCA FC SO e Pilhas de Protocolos Módulos de Suporte ao Hardware Hardware Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Arquiteturas para Acesso ao Espectro Software Communications Architecture (SCA) Framework Central: Gerenciador de Dispositivos Sistemas de Arquivos Gerenciador de Domínios Dispositivos Gerenciador de Aplicações Aplicações Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Arquiteturas para Acesso ao Espectro Projeto 1: 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 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Arquiteturas para Acesso ao Espectro Projeto 2: GNU Radio Plataforma open source mais utilizada em pesquisas Implementação modular através de blocos interconectáveis Compatível com USRP e SCA GUI: GNU Radio Companion Python SWIG (Python/C++) Processamento de Sinais (C++) Interface (USB ou Gb Ethernet) USRP Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Arquiteturas para Acesso ao Espectro Projeto 3: Sora Desenvolvido pela Microsoft Research Asia Implementado através de um hardware conectado à placa-mãe de computadores: Radio Control Board (RCB) Aplicação Camada de Rede (TCP/IP) Módulos de Software MAC Biblioteca de Suporte PHY PHY Fluxos Gerenciador RCB Tempo Real RCB Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Arquiteturas para Acesso ao Espectro Projeto 4: 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 Configuração Aplicações Core Componentes Reutilizáveis API do Iris Engine de Rádio Gerenciador de Componentes Hardware/Arquitetura de Rádio Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Arquiteturas para Acesso ao Espectro Comparativo entre as arquiteturas/projetos Arquitetura Hardware Dedicado Sistema Operacional GUI Linguagens OSSIE X Unix Phyton/C++ GNU Radio Windows/Unix Sora Windows C++ Iris Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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Gerenciamento de Rádios Cognitivos Arquiteturas para gerenciamento Local Global CPE CPE BS CPE CPE BS CPE BS CPE ISP Base de Dados Sistema de Controle Sistema de Gerenciamento BS: Base Station CPE: Consumer Premisses Equipment Figura adaptada de [40] Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Gerenciamento de Rádios Cognitivos Gerenciamento Local Grande quantidade de dados Informações do Usuário Informações de Contexto Informações de Política CPE BS Figura adaptada de [40] Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Gerenciamento de Rádios Cognitivos Gerenciamento Global Garantir que as políticas sejam seguidas Perfil de usuário Contexto Políticas Configurações CPE BS CPE CPE Seleção de Configuração CPE Gerência de Perfis BS Aquisição de Contexto Aplicação de Configuração Derivação de Políticas Base de Aprendizado CPE Figura adaptada de [79] Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Gerenciamento de Rádios Cognitivos Proposta 1: Especificações do padrão IEEE 802.22 [40] Gerência local Informações mantidas no formato de uma MIB 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 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Gerenciamento de Rádios Cognitivos Proposta 2: CRNM Cognitive Radio Network Management Gerência local baseado em abordagem global Proposto em 2008 Wang et al. [82] Regras de negócio Interface do Usuário Geração de Políticas Tradução de Políticas Níveis Intermediários Descoberta de Recursos Trasceptor Adaptativo Hardware Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Gerenciamento de Rádios Cognitivos Proposta 3: CREMS Cognitive Reconfigurable Equipment Management System Gerência global Proposto em 2007 Stavroulaki et al. [80] Arquitetura CREMS Perfis e Políticas Monitoramento e Descoberta da Rede Negociação e Seleção de Reconfiguração Equipamentos Reconfiguráveis Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Gerenciamento de Rádios Cognitivos Proposta 4: CTMS Cognitive Terminal Management System [81] Stavroulaki et al. propôs em 2008, baseado no CREMS Fase 1 (Gerência Local) Localização Instante de Tempo Serviço Nível de QoS Opinião do Usuário Papel do Usuário Fase 2 (Gerência Global) Volume de Utilização Custo Máximo Aceitável Fase 3 (Gerência Global) QoS em Rede Específica Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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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) Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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) Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Cenário 1: IEEE 802.22 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 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Cenário 2: Frequências ISM Coexistência entre tecnologias nas faixas ISM Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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 Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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) Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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Pesquisas em Rádio Cognitivo Controle de Acesso ao Meio [57] Três abordagens principais: Bootstrap: definição de quais canais serão sensoriados [60, 64] Sensoriamento simultâneo em múltiplos canais (cooperativo) 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] Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Pesquisas em Rádio Cognitivo Controle de Admissão Espectral Tipicamente centralizado Busca garantir QoS Principais abordagens: Controle de admissão baseado na energia [75] Minimização da interferência [76] Maximização da vazão [77] Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Pesquisas em Rádio Cognitivo Escalonamento para Compartilhamento Espectral Duas abordagens principais: Centralizada [70, 71, 72] Teoria das filas Decisão baseada em cadeias de Markov Distribuído (mesh) [73, 74] Compartilhamento colaborativo Troca de mensagens de controle Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Pesquisas em Rádio Cognitivo 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 Introdução a Redes de Rádios Cognitivos Funções Cognitivas Arquiteturas para Acesso ao Espectro Gerenciamento de Rádios Cognitivos Cenários de Utilização Pesquisas em Rádios Cognitivos Considerações Finais Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Considerações Finais Importância dos rádios cognitivos Funções cognitivas e arquiteturas Gerenciamento de rádios cognitivos Cenários de utilização Pesquisas atuais Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Considerações finais Grupo de Pesquisa em Comunicações Sem Fio Juergen Rochol Professor Convidado do Instituto de Informática da UFRGS Doutor em Ciência da Computação (UFRGS, 2001) www.inf.ufrgs.br/~juergen Lisandro Zambenedetti Granville Professor Associado do Instituto de Informática da UFRGS Doutor em Ciência da Computação (UFRGS, 2001) www.inf.ufrgs.br/granville Cristiano Bonato Both Pós-Doutorando no II/UFRGS Professor na UNISC Doutor em Ciência da Computação (UFRGS, 2012) www.inf.ufrgs.br/~cbboth Rafael Kunst Doutorando no II/UFRGS Professor no Unilasalle/Canoas Mestre em Ciência da Computação (UFRGS, 2009) www.inf.ufrgs.br/~rkunst Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Considerações finais Grupo de Pesquisa em Comunicações Sem Fio Lucas Bondan Mestrando no II/UFRGS Graduado em Engenharia da Computação (PUCRS, 2011) www.inf.ufrgs.br/~lbondan Maicon Kist Mestrando no II/UFRGS Graduado em Engenharia da Computação (UNISC, 2011) www.inf.ufrgs.br/~maicon.kist Leonardo Roveda Faganello Aluno Esepcial no II/UFRGS Graduado em Engenharia da Computação (UFRGS, 2012) www.inf.ufrgs.br/~lfaganello José Jair Cardoso de Santanna Aluno Especial no II/UFRGS Mestre em Ciência da Computação (UFRGS, 2012) www.inf.ufrgs.br/~jjcsantanna Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

Considerações Finais Grupo de Pesquisa em Comunicações Sem Fio http://networks.inf.ufrgs.br/ Experiência em Redes Sem Fio há 6 anos Há 2 anos trabalhamos com Rádios Cognitivos Projeto Algoritmos para Sensoriamento Espectral em Redes IEEE 802.22 Projeto Desenvolvimento de Tecnologias para Redes Sem Fio de Quarta Geração Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012

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