Cognitive Wireless Mesh Networks with Dynamic Spectrum Access IEEE Journal on Selected Area in Communication, Jan. 2008 issue 1 Kaushik R. Chowdhury Ian.

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1 Cognitive Wireless Mesh Networks with Dynamic Spectrum Access IEEE Journal on Selected Area in Communication, Jan. 2008 issue 1 Kaushik R. Chowdhury Ian F. Akyildiz

2 Tópicos Abordados Introdução COMNET Arquitetura e Operação do Sistema Sensoriamento do Espectro Comutação de Canais Modelo de Interferência Analítica Algoritmo de Comutação de Canal e Banda Avaliação de Desempenho Conclusão

3 Introdução Wireless Mesh Network (WMN) Mesh routers (MR) Mesh clients (MC)

4 Introdução Desempenho da WMN limitado por: Congestionamento de canais WLAN, Bluetooth, Forno de microonda … Congestionamento do tráfego Capacidade de Throughput reduzida

5 Introdução As áreas urbanas são as mais afetadas pelo congestionamento do canal Redes Cognitivas

6 Introdução Principais Desafios Como identificar que faixas do spectro estão livre para acesso Resolver as questões de acesso com os usuários licenciados Balancear a carga sobre todo o espectro disponível

7 Introdução Principais Contribuições Esquema de monitoração dos canais principais enquanto continua sua operação na banda secundária Framework teórico para identificar as frequências primárias do transmissor através de amostras no domínio do tempo Modelo Analítico para estimação de interferência

8 COMNET Cognitive Mesh NETwork (COMNET) Algoritmo de compartilhamento e sensoriamento do Spectro Facilmente integrado com o cenário da rede em malha existente

9 COMNET – Arquitetura e Operação do Sistema

10 Características Cada MR e cada MC está equipado com um único transceptor IEEE 802.11b Ajustável para qualquer uma das frequências na banda primária Cada MR tem uma localização fixa

11 COMNET – Arquitetura e Operação do Sistema Características: Entre os transmissores de rádio primários tem-se as torres de Televisão/Rádio que são estáticas MC calcula a sua distância da estação primária

12 COMNET – Arquitetura e Operação do Sistema Características: Os MCs periodicamente sintonizam um canal pré- decidido na banda principal Sentem o total da potência recebida por um curto período de tempo Estes valores detectados são comunicados pelos MCs, juntamente com suas distâncias a partir das estações primárias, para os MRs de seus respectivos clusters por piggybacking

13 COMNET – Arquitetura e Operação do Sistema Características: No cenário em que houver apenas comunicação ponto a ponto sem envolver o Gateway, os MRs necessitam enviar suas estatísticas, especialmente em uma freqüência pré-decidida para o Gateway Assim os MCs x´, y´ e z´ no Cluster C1 medem a potência recebida no canal 9 e informam a mesma ao MR de seu cluster Cada MR de um Cluster usa a proposta de solução de detecção para identificar as frequências das estações primárias

14 COMNET – Arquitetura e Operação do Sistema Características: As informações sobre as frequências primárias no Cluster são incluídas nos pacotes que são repassadas para a Gateway pelo MRs, atualizando assim um banco de dados centralizado no Gateway Esta base de dados também contém o número de nós ativos em um Cluster cluster_id, primary frequencies detected, number of nodes

15 COMNET – Arquitetura e Operação do Sistema Características: O Gateway faz a difusão dos dados das estações primárias para todos os Clusters da rede, isto é: C1, C2 e C3 Cada MR pode então calcular um valor aproximado de medida de interferência introduzida por seu próprio Cluster, bem como em outros

16 COMNET – Sensoreamento do Spectro Detecção de canal com base em amostras no domínio do tempo: Uso do backoff para sensoriar o canal

17 COMNET – Sensoreamento do Spectro Limitação do backoff no sensoreamento do canal

18 COMNET – Sensoreamento do Spectro Estimativa de ocupação do canal pela potência do sinal recebido não pode garantir resultados precisos

19 COMNET – Sensoreamento do Spectro Abordagem Centralizada para sensoriamento no domínio do tempo MC sintoniza um único canal primário pré-decidido e sente a potência recebida durante todo o período disponível Esta é essencialmente uma sobreposição da potência recebida, devido a vários transmissores Estes transmissores podem estar em diferentes canais

20 COMNET – Sensoreamento do Spectro Abordagem Centralizada para sensoriamento no domínio do tempo Uma pequena proporção da potência de transmissão vaza para para o canal em que a medição é feita Assim, esta fuga de potência é em função da distância entre os canais usados para transmissão e medição Canal para a medição é fixado Fuga de potência para cada transmissão é isolada de um agregado de potência recebida

21 COMNET – Sensoreamento do Spectro A potência individual de uma canal pode ser estimada Abordagem Decentralizada – O custo de computação é dividido igualmente entre todos os M MCs Esta abordagem é análoga a uma implementação distribuída da técnica clássica da eliminação de Gauss, que é usada para resolver equações lineares

22 COMNET – Sensoreamento do Spectro Abordagem Decentralizada – eliminação de Gauss

23 COMNET – Modelo de Interferência Analítico O modelo analítico calcula o total de potência recebida numa determinada localização, entre WLANs próximas Permite a formulação de um canal descentralizado

24 COMNET – Algoritmo de Comutação de Canal e Banda O problema de otimização é resolvido em cada MR Assume-se que a extensão da região em que os rádios operam é conhecida

25 COMNET – Algoritmo de Comutação de Canal e Banda Interferência total das estações de transmissões primárias e dos Clusters recentemente comutados devem estar dentro de limites admissíveis para cada um das frequências primárias Conjunto de restrições balanceia a carga na rede nas duas bandas

26 Avaliação de Desempenho Efeito do aumento da potência de ruído

27 Avaliação de Desempenho Efeito da Medição em Conjunto

28 Avaliação de Desempenho Abordagem Centralizada e Decentralizada

29 Trabalhos Relacionados Técnicas de Sensoriamento Detecção não Cooperativa – Não compartilhada com outros usuários secundários Detecção Cooperativa – as informações de sensoriamento obtidas pelos usuários secundários são compartilhadas entre si

30 Conclusão A solução proposta neste trabalho visa a integração da soluçao rádio cognitivo com as redes mesh O método proposto de detecção de espectro permite a identificação de frequências primárias sem transceptores adicionais e sem mudança significativa no padrão 802.11b Embora o modelo de deteção de espectro tenha sido desenvolvido para as redes mesh, pode-se usar o mesmo para para outros tipos de redes ad- hoc

31 Conclusão Outras técnicas de otimização do canal, tais como: modulação adaptativa, controle da taxa, de controle de energia, entre outros, podem facilmente ser incorporados na abordagem COMNET Funcionalidade cognitivas podem ser utilizadas na abordagem Cross layer