Redes Cognitivas: Um Novo Paradigma para as Comunica es...

Redes Cognitivas: Um Novo Paradigma para asComunicacoes Sem Fio

Marcelo Portela Sousa1,2, Rafael Fernandes Lopes1,2,3,Waslon Terllizzie Araujo Lopes1,2 e Marcelo Sampaio de Alencar1,2

1 Universidade Federal de Campina Grande – UFCG2 Instituto de Estudos Avancados em Comunicacoes – IECOM

3 Instituto Federal do Maranhao – IFMA

Simposio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuıdos (SBRC 2010)

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 1 / 124

Sobre os autores

Marcelo Portela Sousa

◮ Formacao:⋆ Engenharia Eletrica, AREA1⋆ Mestrado em Engenharia

Eletrica, UFCG⋆ Doutorando em Engenharia

Eletrica, UFCG

◮ Prof. Substituto, IFPB

Waslon Terllizzie Araujo Lopes

◮ Formacao:⋆ Engenharia Eletrica, UFPB⋆ Mestrado em Engenharia

Eletrica, UFPB⋆ Doutorado em Engenharia

Eletrica, UFCG

◮ Prof. Adjunto I, UFCG

Rafael Fernandes Lopes

◮ Formacao:⋆ Ciencia da Computacao, UFMA⋆ Mestrado em Engenharia

Eletrica, UFMA⋆ Doutorando em Engenharia

Eletrica, UFCG

◮ Prof. Assistente II, IFMA

Marcelo Sampaio de Alencar

◮ Formacao:

⋆ Engenharia Eletrica, UFPE⋆ Mestrado em Engenharia

Eletrica, UFPB⋆ Ph.D. Engenharia Eletrica,

University of Waterloo, Canada◮ Prof. Titular, UFCG


Roteiro

1 Introducao

2 Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

3 Projeto da Camada FısicaSensoriamento EspectralArquitetura Fısica para o Sensoriamento EspectralTecnicas de Sensoriamento Espectral

4 Estudo de caso: o padrao IEEE 802.22

5 Controle de Acesso ao Meio

6 Projeto da Camada de Rede

7 Aplicacoes das Redes Cognitivas

8 Consideracoes Finais


Introducao

1 Introducao









Introducao

Introducao

Apesar da grande procura por algumas faixas de espectro, estudosindicam uma sub-utilizacao delas;

Pesquisa realizada pela Forca Tarefa em Polıticas de Espectro daComissao de Comunicacoes Federal (FCC – Federal CommunicationsCommission):

◮ Variacao temporal e geografica no uso do espectro alocado (entre 15 e85%).


Introducao

Medicao da utilizacao do espectro de 0-6 GHz no centrode Berkeley


Introducao

Redes Cognitivas

A limitada disponibilidade de espectro e a ineficiencia de suautilizacao geram novas demandas:

◮ Mecanismos e paradigmas de comunicacoes que explorem o espectro demaneira mais eficaz;

As Redes Cognitivas, tambem denominadas Redes de Radio Cognitivoou Redes sem Fio de Proxima Geracao

◮ Tecnologia de rede que aumenta a eficiencia da alocacao espectral pormeio do acesso oportunista as faixas de frequencia.


Introducao

Relacao – duracao do pulso x largura de banda


Introducao

Espectro de RF e oportunidades de uso do espectro


Introducao

Espectro de RF e oportunidades de uso do espectro

Exemplos:◮ Canais de guarda de TV analogica (VHF);

◮ Canais de TV UHF nao alocados;

◮ Faixas ISM (Industrial, Scientific and Medical);

◮ Canais de trunking (e.g., canais de radio de polıcia e bombeiros).


Introducao

Redes Cognitivas

Segundo Thomas et al. (2005) uma Rede Cognitiva e:

... uma rede dotada de capacidade cognitiva, que podeperceber as condicoes atuais da rede e entao planejar,decidir e atuar sobre essas condicoes. A rede pode aprendera partir dessas adaptacoes e utilizar essas informacoes paratomar futuras decisoes, enquanto leva em consideracao osobjetivos de transmissao fim-a-fim.


Introducao

Radio Cognitivo

Principal tecnologia empregada em redes cognitivas: RadiosCognitivos (Cognitive Radios)

◮ Assim como as redes cognitivas, os radios cognitivos fornecem acapacidade de utilizar ou compartilhar o espectro de uma maneiraoportunista;

Radios cognitivos◮ Camadas fısica e de enlace do modelo OSI;

Redes cognitivas◮ Todas as camadas do modelo OSI.


Introducao

Radio Cognitivo

Software Defined Radio (SDR);

Acesso Dinamico ao Espectro;

Aprendizagem de Maquina.


Introducao

Classificacao do Radio Cognitivo

Full Cognitive Radio:◮ Joseph Mitola III, Stevens Institute of Technology, USA;◮ Todos os possıveis parametros observaveis por um no de rede sem fio

devem ser levados em consideracao;

Spectrum Sensing Cognitive Radio:◮ Somente o espectro de radio frequencia e considerado.


Introducao

Funcionalidades do Radio Cognitivo

1 Sensoriamento Espectral;

2 Gerenciamento Espectral;

3 Compartilhamento Espectral;

4 Mobilidade ou “Handoff” Espectral.


Introducao

Gerenciamento espectral

Permite a caracterizacao de diferentes bandas de espectro que devemser exploradas de acordo com os requisitos apropriados dos usuarios;

As bandas podem ter sua qualidade representada de acordo comdiversos parametros, como:

◮ Grau de interferencia;

◮ Perda por propagacao;

◮ Taxa de erro;

◮ Grau de atraso;

◮ Tempo esperado de duracao de uma ocupacao de banda;

◮ Capacidade do canal;

◮ Relacao sinal-ruıdo.


Introducao

Compartilhamento espectral

Tem por finalidade permitir o compartilhamento do acesso aos canais◮ Similar aos problemas de controle de acesso ao meio (MAC);

Arquitetura:◮ Centralizada;

◮ Distribuıda;

Comportamento na alocacao do espectro:◮ Cooperativa;

◮ Nao cooperativa;

Tecnica de acesso ao espectro:◮ Underlay;

◮ Overlay.


Introducao

Compartilhamento espectral – Underlay vs. Overlay


Introducao

Mobilidade espectral

Para utilizar o espectro de maneira dinamica e necessario ummecanismo que permita a mudanca da frequencia de operacao demaneira dinamica;

Esta mudanca deve ser suave, sem aumentar demasiadamente oatraso na comunicacao ou mesmo interrompe-la;

A mudanca deve levar em consideracao os requisitos de QoS;

Impacta diretamente outras camadas da arquitetura de comunicacao,como os protocolos de rede e transporte.


Introducao

Radio Cognitivo – implementacao

Software:◮ GNU Radio: http://www.gnu.org/software/gnuradio/

⋆ C++/Python;

⋆ GNU Radio Companion (GRC);

◮ OSSIE: Open-Source SCA (Software Communications Architecture)Implementation-Embedded: http://ossie.wireless.vt.edu/(Virginia Tech);

◮ Cognitive Radio Cognitive Network Simulatorhttp://stuweb.ee.mtu.edu/~ljialian/

⋆ Baseado no NS-2.


http://www.gnu.org/software/gnuradio/

http://ossie.wireless.vt.edu/

http://stuweb.ee.mtu.edu/~ljialian/

Introducao

Radio Cognitivo – implementacao

Hardware:◮ Interface RF USRP (Universal Software Radio Peripheral)

(http://www.ettus.com/)

◮ Flex-Radio: http://www.flex-radio.com/ (amateur radio)

◮ Texas Instruments

Figura: Interface USRP(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 21 / 124

http://www.ettus.com/

http://www.flex-radio.com/

Introducao

Os protocolos de comunicacao em redes cognitivas

Protocolos de comunicacao devem ser capazes de se adaptar adisponibilidade de faixas de espectro;

A utilizacao dinamica do espectro pode causar efeitos adversos emseu desempenho, principalmente aos protocolos sensıveis a latencia;

As redes cognitivas precisam utilizar metricas de desempenho dascondicoes atuais de cada camada da pilha de protocolos paradeterminar a configuracao otima de operacao da rede:

◮ Projeto de relacionamento entre camadas (cross-layer design);

◮ Importante topico de pesquisa da area de redes cognitivas.


Introducao

Protocolos de comunicacao de uma rede cognitiva e suasinteracoes

PerdasAtraso de Handoff,

Informações deRoteamento

Esp

ectr

al

Com

part

ilh

am

ento

Informações deRoteamento/

Reconfiguração

Informações deEscalonamento/Reconfiguração

Atraso daCamada de

Enlace

Sen

sori

am

ento

Esp

ectr

al

Informações deSensoriamento/Reconfiguração

Informações deSensoriamento

Função de

Espectral

Gerenciamento

Função de

Mobilidade

Espectral

Reconfiguração

Decisões sobre Handoff, Informações Atuais e Candidatas sobre o Espectro

Requisitos de QoSControle da AplicaçãoAplicação

Transporte

Camada de Rede

Camada de Enlace

Camada Física


Introducao

Protocolos de comunicacao de uma rede cognitiva e suasinteracoes

Sensoriamento e compartilhamento espectral:◮ Interagem entre si para melhorar a eficiencia da alocacao de faixas do

espectro comunicando-se com as camadas fısica e de enlace;

Gerenciamento e mobilidade espectral:◮ Atuam sobre todas as camadas do modelo OSI, obtendo informacoes e

mudando suas configuracoes de acordo com a natureza dinamica doespectro.


Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

1 Introducao











Arquiteturas de redes sem fio atuais sao bastante heterogeneas emtermos de polıticas de espectro e tecnologias de comunicacao;

Essa heterogeneidade impoe desafios ao projeto de protocolos pararedes cognitivas

◮ e.g. latencia gerada pelo sensoriamento, indisponibilidade temporariade enlaces de radio, interrupcao temporaria das transmissoes durantehandoff espectral;

Uma completa definicao da arquitetura das redes cognitivas enecessaria.



Elementos basicos das redes primarias e cognitivas

Rede Primaria◮ Usuario primario ou licenciado;

◮ Estacao radiobase primaria;

Rede Cognitiva ou Secundaria◮ Usuario cognitivo, secundario ou nao licenciado;

◮ Estacao radiobase cognitiva, secundaria ou nao licenciada;

◮ Escalonador de espectro.



Funcionalidades das Redes Cognitivas

As redes cognitivas podem operar tanto em faixas licenciadas quantonao licenciadas;

Consequentemente, as funcionalidades requeridas pelas redescognitivas variam de acordo com o tipo de faixa acessada.



Operacao de Rede Cognitiva em Faixa Licenciada

Desafios para operacao em faixas licenciadas derivam da existencia deusuarios primarios nessas faixas

◮ As redes cognitivas sao capazes de detectar usuarios primarios;

◮ Capacidade de transmissao dos canais vagos do espectro depende dainterferencia dos usuarios primarios proximos;

◮ Evitar interferencia com os usuarios primarios e um dos aspectos maisimportantes da arquitetura das redes cognitivas;

◮ Se um usuario primario comecar a utilizar uma faixa do espectroalocada por um usuario cognitivo, este deve imediatamente desocupara faixa atual e migrar para outra faixa disponıvel.



Operacao de Rede Cognitiva em Faixa Nao Licenciada

Abertura da banda ISM permitiu o desenvolvimento de uma variedadede importantes tecnologias e aplicacoes inovadoras;

Aumento da utilizacao da banda ISM por tecnologias de redeheterogeneas tem reduzido a disponibilidade espectral nesta faixa;

As redes cognitivas podem ser projetadas para operacao em faixasnao licenciadas, melhorando a eficiencia nessa faixa do espectro.



Operacao de Rede Cognitiva em Faixa Nao Licenciada

Dado que nao existem proprietarios de licencas, todos os nos da redetem os mesmos direitos de acesso a essas faixas

◮ Multiplas redes cognitivas podem coexistir na mesma area ecompartilhar as mesmas faixas do espectro;

◮ Algoritmos de compartilhamento inteligente do espectro podemmelhorar a eficiencia no uso do espectro e fornecer uma alta qualidadede servico;

Um handoff espectral nao e provocado pelo aparecimento de outrosusuarios primarios

◮ Os usuarios devem competir entre si pelas mesmas faixas naolicenciadas;

◮ Metodos de compartilhamento do espectro devem ser empregadospelos usuarios cognitivos.


Projeto da Camada Fısica

1 Introducao











Os avancos na tecnologia de radio tem permitido o desenvolvimentode tecnicas de acesso dinamico ao espectro eletromagnetico e deconfiguracao adaptativa dos enlaces e protocolos de comunicacao

◮ Permite as aplicacoes se beneficiarem de canais de comunicacao commelhor desempenho e menor interferencia;

Os radios cognitivos representam um novo paradigma para ascomunicacoes sem fio

◮ Os nos da rede sao dotados da capacidade de modificar seusparametros de transmissao e recepcao, provendo comunicacao eficiente.



Conceito de espacos em branco ou lacunas espectrais




Os radios cognitivos devem ter conhecimento da diversidade deoportunidades de uso do espectro para selecionar o melhor canaldisponıvel;

Assim, e necessario identificar, com confiabilidade, espacos em brancono espectro, em termos de frequencia, tempo e espaco

◮ Entre as principais abordagens empregadas com essa finalidademerecem destaque:

⋆ Registro em banco de dados;

⋆ Sinalizadores regionais;

⋆ Sensoriamento espectral.



Metodos de identificacao de espacos em branco

Tabela: Classificacao dos metodos de identificacao de espacos em branco.


Projeto da Camada Fısica Sensoriamento Espectral

1 Introducao










Sensoriamento Espectral

Modificacao dos parametros de transmissao e baseada nomonitoramento ativo de diversos fatores externos e internos aoambiente de radio

◮ e.g. ocupacao do espectro de RF, comportamento do usuario e estadoda rede;

◮ Esses e outros parametros compoem o conhecimento contextual doambiente de radio;

Para manter sua ciencia sobre a ocupacao do espectro de RF, osradios cognitivos necessitam verificar frequentemente os canaisdisponıveis em um amplo espectro

◮ Esse processo nem sempre resulta em estimativas confiaveis;

◮ Erros nas estimacoes espectrais podem levar a ocorrencia deinterferencias entre as transmissoes;

◮ Durante o sensoriamento espectral, a transmissao de dados pelasaplicacoes nao e possıvel.



Funcionalidades das camadas relacionadas aosensoriamento espectral




Radios cognitivos sao considerados usuarios de menor prioridade doespectro licenciado

◮ Um requisito fundamental e evitar interferencias com potenciaisusuarios primarios em sua vizinhanca;

Sistemas primarios nao precisam modificar sua infraestrutura para ocompartilhamento do espectro com redes cognitivas

◮ Os radios cognitivos devem ser capazes de detectar a presenca deusuarios primarios por meio de um processo contınuo de sensoriamento.




Os radios cognitivos devem detectar sinais primarios com nıveis muitobaixos de potencia;

◮ O radio cognitivo baseia sua decisao na medicao local dos sinaisemitidos pelo transmissor primario;

O sensoriamento espectral local pode sofrer com o problema deocultacao de terminais

◮ Incerteza sobre receptor⋆ Baixa potencia do sinal, confusao com ruıdo, interferencia,

multipercurso;

◮ Incerteza por sombreamento.



Problemas de deteccao

Figura: (a) incerteza sobre o receptor e (b) incerteza sobre o sombreamento.


Projeto da Camada Fısica Arquitetura Fısica para o Sensoriamento Espectral

1 Introducao










Arquitetura Fısica para o Sensoriamento Espectral

Radio:◮ Equipamento para transmissao e/ou recepcao de sinais por meio de

ondas eletromagneticas;

◮ e.g. radios AM e FM, telefones celulares, televisao, redes sem fio;

Radio Cognitivo deve ter a capacidade de modificar dinamicamenteseus parametros de operacao:

◮ Radio definido por software (SDR – Software Defined Radio);

Os SDRs sao sistemas de comunicacao de radio em que diversoscomponentes tipicamente implementados em hardware saoimplementados em software.



Arquitetura fısica geral dos SDRs

Rec

epçã

oT

ran

smis

são

Do U

suári

oA

o U

suári

o

ConversãoAnalógico−Digital

(A/D)

Unidade deProcessamento

em Banda

Básica

Unidade deProcessamento de

Dados

RádioFrequência

(RF)

Controle(Parametrização)

Front−endde Rádio


Projeto da Camada Fısica Tecnicas de Sensoriamento Espectral

1 Introducao










Tecnicas de Sensoriamento Espectral

O radio cognitivo deve distinguir faixas do espectro livres e ocupadas◮ Para tanto, ele deve ter a capacidade de determinar se o sinal de um

transmissor primario esta presente em uma certa faixa do espectro;

Quando sinais primarios nao sao detectados o radio cognitivo passa autilizar o canal de forma oportunista

◮ Ao alocar uma faixa do espectro um radio cognitivo deve continuar omonitoramento do canal;

◮ Caso um sinal licenciado seja detectado, ele deve disponibilizar o canal;

Hipotese binaria sobre a ocupacao do canal:

r(t) =

{

n(t) H0, – canal vagoh.s(t) + n(t) H1 – canal ocupado

}



Tecnicas de Sensoriamento Espectral



Modelo de deteccao baseada em interferencia



Deteccao cooperativa

“O aumento na diversidade alcancado por meio dosensoriamento espectral cooperativo melhora a sensibilidade doprocesso de deteccao como um todo, sem impor grandesrequisitos de sensibilidade aos radios cognitivos individualmente”.

Ghasemi, 2008



Deteccao cooperativa

Figura: Sensibilidade (SNR mınimo detectavel) requerido pelos radios cognitivosindividuais para alcancar uma sensibilidade de deteccao geral de -20 dB sobdesvanecimento Rayleigh versus o numero de usuarios cooperativos.



Deteccao baseada no transmissor

Forma mais simples de sensoriamento espectral;

Quando nao sao detectados sinais primarios em uma determinadabanda, o radio cognitivo passa a utilizar o canal de forma oportunista;

Similar a abordagem “listen-before-talk” do IEEE 802.11 (Wi-Fi);

Principais tecnicas:◮ Filtro casado;

◮ Deteccao de energia;

◮ Deteccao de caracterısticas.



Deteccao com filtro casado

Adequada quando as informacoes do sinal primario sao conhecidas apriori pelo usuario secundario

◮ e.g. forma de pulso, frequencia da portadora, tipo de modulacao,formato do quadro;

Nesse caso, o detector otimo para canais AWGN sera um filtro casadoseguido por um teste de limiar.



Deteccao com filtro casado – Desvantagens

Requer que o sinal primario seja demodulado pela unidade desensoriamento

◮ Isso requer que os usuarios secundarios implementem tecnicas desincronizacao de tempo e frequencia com o sinal primario;

Aumento na complexidade da unidade de sensoriamento, pois deveconhecer todos os possıveis sinais primarios;

Maior consumo de energia pois executa varios algoritmos paradeteccao.



Deteccao de energia

As vezes nao se tem acesso as informacoes dos sinais dos usuariosprimarios

◮ Nesse caso, a alternativa mais simples de deteccao de um sinal primariocom ruıdo e realizar a deteccao de energia;

Em baixos nıveis de SNR, quando comparado a utilizacao de filtroscasados, a deteccao de energia requer um maior tempo desensoriamento para atingir um bom desempenho

◮ Baixo custo de implementacao e simplicidade tornam essa abordagemfavoravel para o sensoriamento espectral;

Mede a energia recebida em uma faixa durante um intervalo deobservacao e a declara uma lacuna de espectro se a energia medidafor menor que um limiar estabelecido.



Deteccao de energia

Comparador deLimiar

Baixa

FiltroPassa− Decide por H0 ou H1

∫ T

0

(.)2dtr(t)

Figura: Diagrama de blocos de um detector de energia.



Deteccao de caracterısticas

A principal desvantagem do detector de energia e a sua falta dehabilidade em diferenciar fontes de energia (e.g., um usuario primarioe o ruıdo)

◮ Isso o faz suscetıvel as incertezas sobre a potencia do ruıdo de fundo,especialmente com baixa relacao sinal-ruıdo;

Se algumas caracterısticas do sinal primario sao conhecidas, entaodetectores de caracterısticas podem ser empregados;

E possıvel verificar a existencia de um dado sinal capturandoassinaturas especıficas do sinal

◮ e.g., frequencia da portadora, tipo de modulacao, sinais piloto,preambulos, campos de sincronizacao, cicloestacionaridade;

Exemplo: deteccao de caracterısticas cicloestacionarias.



Deteccao de caracterısticas cicloestacionarias

Esses detectores se baseiam no fato de que, contrariamente ao ruıdoestacionario, a maioria dos sinais de comunicacao saocicloestacionarios

◮ Exibem correlacao espectral devido a sua periodicidade, comofrequencia da portadora, taxa de bits e prefixos cıclicos;

Analises comuns de sinais aleatorios estacionarios sao baseadas nasfuncoes de autocorrelacao e densidade espectral de potencia;

Por outro lado, sinais cicloestacionarios exibem correlacao entrecomponentes largamente espacadas.




A partir da funcao de correlacao espectral (SCF) e possıvel realizaranalises do comportamento espectral de um sinal cicloestacionario

Correlacionar

X(f+a)X*(f−a)

Média

durante T

Detecção de

Característica

Transformada

de FourierA/D

x(t)

Figura: Diagrama de blocos de um detector de caracterısticas cicloestacionarias.




Figura: Funcao de correlacao espectral do sinal 4-FSK.



Comparacao entre as tecnicas

Tecnicas de

Sensoriamento Vantagens Desvantagens

Filtro Casado • Desempenho Otimo • Dependente do sinal• Alto consumo de energia

Deteccao deEnergia

• Baixa Complexidade• Independe do Sinal Primario

• Suscetıvel a Incerteza do Ruıdo• Suscetıvel a Interferencia

Deteccao deCaracterısticas

• Robusto contra Incerteza do Ruıdo• Robusto contra Interferencia

• Computacionalmente Complexo


Estudo de caso: o padrao IEEE 802.22

1 Introducao










O padrao IEEE 802.22

Primeiro padrao a contemplar a utilizacao da tecnologia de radiocognitivo;

Ele foi proposto em 2004 no contexto do grupo de trabalho 802.22relativo a redes sem fio regionais (WRAN);

Propoe o uso nao licenciado de faixas de TV para comunicacoes semfio. Nessa faixas tres tipos de sinais devem ser detectados:

◮ TV analogica (NTSC – National Television System Committee);

◮ TV digital (ATSC – Advanced Television Systems Committee);

◮ Microfones sem fio.



Densidade espectral de potencia de um sinal NTSC



Densidade espectral de potencia de um sinal ATSC



Densidade espectral de potencia de um sinal de microfonesem fio



O padrao IEEE 802.22

Rede sem fio infraestruturada onde uma estacao radiobase coordena oacesso de diversos nos em uma celula de um unico salto decomunicacao

◮ Essa celula cobre uma area com o raio que varia entre 33 km (tıpico) a100 km;

◮ Os usuarios em uma celula 802.22 sao chamados de Consumer PremiseEquipments (CPEs);

Os equipamentos WRAN apresentam uma potencia de transmissaomuito superior a dos demais sistemas IEEE 802

◮ A potencia dos CPEs podem alcancar ate 4 W, enquanto que asestacoes base atingem o maximo de 100 W;

◮ Alem disso, as faixas de TV apresentam boas caracterısticas depropagacao, permitindo que a area de cobertura atinja ate 100 km.



Exemplo de uma celula IEEE 802.22



Modelo de sensoriamento do canal no padrao IEEE 802.22

No padrao IEEE 802.22 o canal pode ser modelado como uma fonteLIGADA / DESLIGADA (ON/OFF)

◮ Um perıodo ON representa o tempo de duracao em que os usuariosprimarios estao utilizando ativamente seus respectivos canais;

Os usuarios secundarios somente tem permissao para utilizar o canalnos perıodos OFF dos usuarios primarios

◮ Um padrao de uso de canal por transmissores de TV usualmenteapresentam perıodos muitos longos de ON e OFF (da ordem de horas).




Por meio do sensoriamento espectral o radio cognitivo verifica oestado do canal durante o tempo de sensoriamento (TS –sensing-time)

◮ O valor de TS pode variar de acordo com o metodo de deteccaoutilizado (e.g., menos de 1 ms para deteccao de energia);

O perıodo de sensoriamento (TP – sensing-period) e o intervalo detempo entre a realizacao de dois sensoriamentos

◮ Pode ser utilizado para obter a frequencia de sensoriamento (1/TP –sensing-frequency).




No padrao 802.22, o sensoriamento pode ser realizado durante osperıodos de silencio (i.e., enquanto as comunicacoes entre os usuariossecundarios estao suspensas)

◮ Nos perıodos de silencio, nenhum CPE tem permissao para transmitirdados;

Caso seja realizado um sensoriamento colaborativo, os perıodos desilencio passam a ser sincronizados entre os diversos sensores de umamesma celula, bem como entre celulas vizinhas

◮ E utilizado um protocolo de sinalizacao de coexistencia (CBP –Coexistence Beacon Protocol).



Requisitos de sensoriamento espectral do padrao IEEE802.22

Parametro Valor de deteccao

Tempo de deteccao do canal ≤ 2 segTempo de mudanca do canal 2 seg

Tempo de encerramento da transmissao no canal 100 mseg



Requisitos de sensoriamento espectral do padrao IEEE802.22

Tabela: Limiar de deteccao dos sinais primarios.

Tipo de sinal Limiar de deteccao

TV analogica (NTSC) -94 dBm (no pico de sincronizacao da portadora de imagem doNTSC)

TV digital (ATSC) -116 dBm (largura de banda de 6 MHz)Microfones sem fio -107 dBm (largura de banda de 200 kHz)



O mecanismo TSS do IEEE 802.22

O IEEE 802.22 prove um mecanismo de sensoriamento em doisestagios (TSS – two-stage sensing)

◮ O algoritmo de sensoriamento pode escalonar um sensoriamento rapidoou fino a cada perıodo de silencio (QP – quiet period);

⋆ O sensoriamento rapido emprega deteccao de energia enquanto osensoriamento fino utiliza deteccao de caracterısticas;

Embora um algoritmo de sensoriamento possa escalonar quantos QPsforem necessarios, existem restricoes sobre o perıodo desensoriamento

◮ O QP de um sensoriamento rapido, usualmente menor que 1 ms, podeser escalonado no fim de um quadro MAC 802.22 (de duracao de10 ms) no maximo uma vez a cada quadro;

◮ A duracao do QP de um sensoriamento fino varia de acordo com oesquema de deteccao de caracterıstica utilizado.


Controle de Acesso ao Meio

1 Introducao











Medium Access Control (MAC)

MAC em Redes Cognitivas;

Identificar os recursos espectrais disponıveis

◮ Tecnicas de sensoriamento;◮ Decisao dos perıodos otimos para a transmissao;◮ Coordenacao do acesso espectral.

MAC em Redes Infraestruturadas e Ad hoc

◮ Acessos: Aleatorio, Agendado e Hıbrido.

Gerenciamento Espectral.



Gerenciamento Espectral em Redes Cognitivas

As faixas espectrais ociosas possuem diferentes caracterısticas;

Gerenciamento espectral:

◮ Evitar a interferencia com usuarios primarios;◮ Atender os requisitos de QoS;

Sensoriamento Espectral;

Analise Espectral;

Decisao Espectral;

Camadas da pilha de protocolos.



Analise Espectral

Caracterizacao das faixas ociosas detectadas;

Qualidade da faixa espectral:

◮ Nıvel de interferencia;

◮ Taxa de erro do canal;

◮ Atenuacao por percurso;

◮ Tempo de espera.



Decisao Espectral

Gerenciamento espectral e requisitos de QoS;

Resultados da Analise Espectral −→ Decisao Espectral:

◮ Taxa de transmissao de dados;

◮ Taxa aceitavel de erros;

◮ Limitante de atraso;

◮ Modo de transmissao;

◮ Largura de banda.

Conjunto de faixas apropriadas.



O Ciclo Cognitivo




Decisao Espectral 99K MAC;

Duas propostas distintas:

◮ Redes Infraestruturadas – estacao radiobase gerencia a alocacaoespectral e compartilha essa informacao com os usuarios secundarios;

◮ Redes Ad hoc – protocolos distribuıdos, que operam sem o suporte deuma entidade de controle centralizada;

Classificacao em relacao ao tipo de acesso:

◮ Acesso Aleatorio;

◮ Acesso Agendado;

◮ Acesso Hıbrido.



Protocolos de Acesso Aleatorio

Nao necessitam de sincronizacao temporal;

Deteccao de Portadora de Multiplo Acesso com Prevencao de Colisao;

Collision Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA);

◮ O usuario secundario monitora as faixas espectrais;

◮ Detecta quando nao ha transmissoes provenientes de outros usuariossecundarios;

◮ Transmite apos um determinado intervalo, para prevenir transmissoessimultaneas.



Acesso Aleatorio em Redes Cognitivas Infraestruturadas

S.-Y. Lien et al. Carrier sensing based multiple access protocols for cognitiveradio networks (ICC 2008, Beijing, China);

Coexistencia entre usuarios cognitivos e primarios;

Adaptacao da potencia e taxa de transmissao da rede cognitiva;

Separacao entre ERBs cognitivas e primarias −→ evitar sobreposicao dasareas de cobertura;

Saltos unicos entre ERBs e usuarios cognitivos;

O protocolo permite transmissoes simultaneas dos usuarios cognitivosmesmo quando os usuarios primarios sao detectados, pois a interferenciacausada a eles esta contida em um limiar pre-definido.



Acesso Aleatorio em Redes Cognitivas Infraestruturadas

Rede primaria −→ CSMA, com perıodo τp;

Requisicao de envio (RTS) – Confirmacao de envio (CTS);

τs >> τp −→ Prioridade para o usuario primario;

distancia (usuario.secundario,ERB) e Potencia do ruıdo

◮ Decide a potencia e taxa de transmissao.

Apenas um pacote transmitido por rodada.



CSMA com quatro opcoes de handshaking



Acesso Aleatorio em Redes Cognitivas Ad hoc

J. Jia et al. HC-MAC: A hardware-constrained cognitive MAC for efficientspectrum management (IEEE JSAC, 2008);

Restricoes de hardware

◮ Restricoes de sensoriamento – relacao de compromisso entre duracaodo sensoriamento e a precisao resultante;

◮ Restricoes de transmissao – limitacoes impostas pelo OFDM, quedecide o intervalo da largura de banda e o numero maximo permitidode subportadoras;

◮ Limites de agregacao espectral.

Principais contribuicoes do HC-MAC:

◮ Decisao do sensoriamento;

◮ Operacao do protocolo de acesso ao meio.



O Protocolo HC-MAC

Decisao do sensoriamento;

◮ Criterio de parada para o sensoriamento de canais;

◮ Relacao com a maxima largura de banda que pode ser acessada;

◮ Numero maximo de subportadoras.

Operacao do protocolo de acesso ao meio:

◮ C-RTS/C-CTS – contention;

◮ S-RTS/S-CTS – sensing ;

◮ T-RTS/T-CTS – transmission.



Controle de Acesso para Dois Enlaces no HC-MAC



Protocolos de Acesso Agendado

Necessitam de sincronizacao da rede;

O intervalo de transmissao e dividido em perıodos;

Canal de controle;

Transmissao de dados.



Acesso Agendado em Redes Cognitivas Infraestruturadas

C. Cordeiro et al. Cognitive PHY and MAC layers for dynamic spectrumaccess and sharing of TV bands (ACM TAPAS 2006);

Compartilhamento espectral em faixas de TV;

Caracterısticas do padrao IEEE 802.22;

Enlace de Descida (DS – downstream);

Enlace de Subida (US – upstream);

Hierarquia de superframes.



Estrutura do Superframe



Acesso Agendado em Redes Cognitivas Ad hoc

C. Cordeiro et al. C-MAC: A cognitive MAC protocol for multichannelwireless networks (IEEE DySPAN 2007);

Cognitive MAC (C-MAC);

Consideravel vazao de dados (throughput);

Robustez a mudancas espectrais (multiplos transceptores);

Canal Rendezvous (RC – Rendezvous Channel);

◮ Coordenacao de nos;◮ Deteccao de usuarios primarios;◮ Alocacao de recursos do canal.

Canal de Apoio (BC – Backup Channel);

◮ Prover escolha imediata de faixas espectrais;◮ Alternativa ao surgimento de usuarios primarios;◮ Alocacao de recursos do canal.



Operacao do C-MAC

Superframes

◮ Perıodo de Sinalizacao (BP – Beacon Period);

◮ Perıodo de Transferencia de Dados (DTP – Data Transfer Period);

◮ Alocacao de recursos do canal.

Sinalizacao distribuıda;

Coordenacao entre canais;

Coexistencia;

Equilıbrio de carga.



Operacao do C-MAC



Desafios Relativos ao Controle de Acesso ao Meio

Projeto do canal de controle:

◮ O acesso ao espectro envolve a sinalizacao de controle entre os doisusuarios secundarios em ambas extremidades do enlace;

◮ Essa sinalizacao deve ser ininterrupta pela atividade da vizinhanca deusuarios primarios, uma vez que e usada para a troca de informacoessensoriadas e coordenacao do acesso ao canal;

◮ Canais de controle com troca dinamica e confiavel precisam serprojetados.



Desafios Relativos ao Controle de Acesso ao Meio

Adaptacao a transmissao do usuario primario:

◮ Alguns usuarios primarios possuem padroes de transmissao especıficos,tais como estacoes de difusao de televisao, ou podem apresentaracessos aleatorios ocasionais ao canal, tais como agencias de servicospublicos;

◮ Nesses intervalos de tempo, o protocolo MAC cognitivo deve inferir anatureza dos usuarios primarios e adaptar as transmissoes para evitarinterferencias proprias e prevenir conflitos com usuarios primarios;

◮ Por essa razao, o controle de potencia dinamico e esquemas deagendamento de transmissao tambem precisam ser projetados.


Projeto da Camada de Rede

1 Introducao











Controle de fluxo;

Gerenciamento de recursos de radio;

Gerenciamento da mobilidade da rede;

◮ Selecao espectral e roteamento conjuntos;

◮ Processos cognitivos e protocolos de roteamento.



Selecao Espectral e Roteamento Conjuntos

Hicham Khalife et al. Joint Routing and Spectrum Selection for MultihopCognitive Radio Networks (University of Arizona, 2008);

O roteamento em Redes Cognitivas deve considerar a presenca de multiploscanais para transmissoes paralelas?

A selecao de canais e o gerenciamento espectral deve ser apenas tratado nacamada MAC?

Protocolo reativo baseado em roteamento pela fonte;

Canal de Controle Comum −→ baixa frequencia;

Algoritmo simplificado:

◮ Calculo de pesos baseados na interferencia de usuarios primarios;◮ Identificacao da rota mais provavel;◮ Incremento da capacidade media da rota.



Multiplas Faixas de Frequencia entre Nos



Inteligencia Artificial e Colonias de Formigas

X. Jing et al. Artificial cognitive BP-CT ant routing algorithm (IEEE IJCNN2005.);

Algoritmo de aprendizagem por reforco;

◮ Redes Neurais Artificiais (RNAs);

Conjunto de agentes −→ colonias artificiais;

◮ Pacotes de verificacao coletam informacoes sobre o atraso fim a fim;◮ Propagam reversamente para atualizar os roteadores intermediarios.

Desempenho satisfatorio do roteamento;

Vazao de dados e reducao do atraso fim a fim.



Algoritmo BP-CT

Uma RNA por roteador;

Entradas:

◮ Probabilidade de selecionar cada possıvel salto;◮ Tempo medio de viagem;

Saıdas:

◮ Novos valores de probabilidade;◮ Perıodos estimados de viagem para os proximos saltos;

Formigas de encaminhamento selecionam os proximos saltos utilizando aRNA;

Viagem no sentido inverso;

◮ Atualizacao dos pesos da RNA e a tabela de roteamento;◮ Tempo de viagem medido;◮ Modifica a RNA e as escolhas das proximas formigas.



Roteamento Cognitivo

E. Gelenbe et al. Cognitive packet networks (IEEE TAI, 2009);

Capacidade de aprendizagem de um no;

−→ pacote de transmissao (pacote cognitivo);

◮ ID: identificar o pacote e sua classe de servico;◮ DATA: dados do usuario;◮ CM – Cognitive Map: o campo do mapa cognitivo;◮ O campo do codigo executavel.

O CM contem um mapa da rede −→ uma estimacao do estado da redebaseado em informacoes previas coletadas pelo pacote;

O codigo executavel usa o campo CM como uma entrada ao algoritmo deaprendizagem;

Capacidade de armazenamento na forma de caixas de correspondencia;

Os nos processam os codigos executaveis contidos em cada pacote.



Roteamento Cognitivo

Sempre que um pacote cognitivo for recebido por um no, este executa ocodigo armazenado no campo de codigo executavel do pacote;

A entrada do codigo consiste do mapa cognitivo armazenado no proprio no edo conteudo da caixa de correspondencia do no;

Possıveis resultados da execucao do codigo:

◮ O mapa cognitivo do pacote e atualizado;◮ A caixa de correspondencia do no e escrita;◮ O pacote e enviado por um enlace de saıda;◮ O pacote e mantido em um armazenador (buffer) aguardando que uma

determinada condicao seja observada.



Desafios Relativos ao Projeto da Camada de Rede

Disponibilidade de enlace;

Enlaces unidirecionais.



Desafios Relativos ao Projeto da Camada de Rede

Re-roteamento;

Gerenciamento de filas.


Aplicacoes das Redes Cognitivas

1 Introducao










Aplicacoes de Redes Cognitivas

Redes Alugadas – Permissao do acesso oportunista do espectro licenciado,por meio do acordo com a rede secundaria em nao prejudicar os parametrosde qualidade de servico dos usuarios primarios;

◮ Aluguel do acesso espectral para um numero limitado de operadoras;◮ Aluguel para uma comunidade regional −→ acesso sem fio em banda

larga.




Redes Mesh Cognitivas

◮ Aumento da densidade da rede;◮ Aplicacoes demandam maior vazao de dados;◮ Redes Mesh necessitam de um aumento em sua capacidade;◮ Pontos de Acesso cognitivos e nos relay cognitivos.




Redes de Emergencia – As redes cognitivas tambem podem serimplementadas para o auxılio na operacao de redes de emergencia;

◮ Desastres naturais −→ inviabilizar a infraestrutura existente decomunicacoes;

◮ Formacao de Redes de Emergencia;◮ Informacoes crıticas −→ uma comunicacao segura precisa ser garantida

com a mınima latencia de transmissao.◮ Disponibilidade significante de espectro de radio para a manipulacao de

grandes volumes de trafego de dados, incluindo voz, vıdeo e dados.




Redes Militares – Dispositivos militares de comunicacao:

◮ Escolher faixas de frequencia intermediaria;◮ Esquemas de modulacao e de codificacao adaptaveis as variacoes do

ambiente de radio em campos de batalha.◮ Demanda por recursos de seguranca e protecao das transmissoes em

ambientes hostis.◮ As redes cognitivas permitem as equipes militares realizarem o handoff

espectral e identificar faixas espectrais seguras, livres de interceptacaopor tropas inimigas.




Servicos – O ramo de servicos possui diversas oportunidades para o uso deredes cognitivas;

Exemplo: Melhoria dos servicos de comunicacao de um hotel (conferencia);

Padrao IEEE 802.11, em que o custo para utilizacao da rede sem fio estainclusa no preco dos servicos da conferencia e servicos de quarto;

Demandas de acesso: palestrantes, outros inscritos, hospedes, etc.

Sem restricoes de utilizacao, qualquer pessoa com um dispositivo compatıvelcom o padrao IEEE 802.11 possui o mesmo potencial para acessar a Internet.

Perıodos de alta demanda, todos os usuarios podem experimentar servicoslentos e interrupcoes, o que leva a insatisfacao dos usuarios.




Uma solucao seria restringir o acesso a rede e cobrar uma taxa.

As taxas poderiam variar de acordo com a categoria do usuario:

◮ Taxas pagas pela organizacao da conferencia, cujo o custo e repassadoaos inscritos no pacote de inscricao;

◮ Hospedes instalados em quartos com desconto deveriam pagar taxasmaiores;

◮ Hospedes instalados em quartos premium teriam direito a acessar arede livremente, sem pagar taxas por isso.




Sem um sistema de priorizacao de usuarios, os problemas de qualidade deservico persistirao.

Os participantes da conferencia ficarao frustrados caso um palestrante tenteconduzir uma demonstracao em tempo real, usando a Internet, eexperimente uma degradacao na qualidade de seu acesso a rede.

Para proporcionar a satisfacao com a qualidade dos servicos oferecidos, ohotel precisa disponibilizar uma alternativa em que o palestrante tenhaacesso aos recursos que sao necessarios para conduzir uma apresentacaosuave e contınua.

Uma outra solucao seria o estabelecimento de duas redes, uma das quais,restrita a um numero reduzido de apresentadores e usuarios prioritarios.




As redes cognitivas representam uma solucao eficaz para o problema, mesmono caso em que o servico de acesso a Internet e disponibilizado usando umaunica frequencia de radio.

Cada usuario poderia ser vinculado a um nıvel de prioridade de uso dosservicos, baseado nas metas de servico do hotel.

Nesse caso, o radio cognitivo otimizaria o acesso a rede, de modo queusuarios com um nıvel de prioridade mais alta tivessem preferencia no acessoem relacao aos usuarios com um nıvel de prioridade mais baixa.

Uma prioridade mais alta poderia ser atribuıda a um numero limitado depalestrantes da conferencia para garantir que suas apresentacoes ocorressemde forma contınua.

Por outro lado, os hospedes que nao estao registrados na conferenciapossuiriam um acesso razoavel no andar de seus quartos, mas apenas aslacunas do espectro nas areas da conferencia.


Consideracoes Finais

1 Introducao











Redes Cognitivas −→ solucionar problemas:

◮ Limitada disponibilidade espectral;◮ Ineficiencia na utilizacao espectral;

Sensoriamento Espectral;

◮ Tecnicas de Processamento Digital de Sinais;

Estrategias cooperativas para o gerenciamento espectral;

Integracao das capacidades cognitivas em camadas superiores da pilha deprotocolos;

Necessidade de regulamentacao para as redes cognitivas.

Aspectos e desafios relativos ao projeto e implementacao de redes cognitivas.



Pesquisas desenvolvidas no Iecom

Redes Cognitivas Multimıdia: FAST – Fuzzy Spatial Video TranscodingSystem

SimulSense – Software Simulation Framework for Spectrum Sensing.



Pesquisas desenvolvidas no Iecom – SimulSense



Agradecimentos



Contato

Marcelo Portela Sousa ([email protected])

Rafael Fernandes Lopes ([email protected])

Waslon Terllizzie Araujo Lopes ([email protected])

Marcelo Sampaio de Alencar ([email protected])


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