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UTILIZAÇÃO DE RÁDIOS COGNITIVOS NAS FUTURAS GERAÇÕES DE SISTEMAS DE
COMUNICAÇÃO SEM FIO

Autores:
Altieres Mariano Mart...
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FOLHA DE APROVAÇÃO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado e aprovado em 05/07 /2013 pela comissão
julgadora:
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A nossas famílias.
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AGRADECIMENTOS
Agradecemos primeiramente a Deus pelas nossas vidas e pelo conhecimento e
sabedoria que nos proporcionou...
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RESUMO
O objetivo deste trabalho é apresentar a utilização de rádios cognitivos nas futuras
gerações de sistemas de co...
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ABSTRACT
The objective of this work is to present the use of cognitive radios in future
generations of wireless commu...
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ÍNDICE
LISTA DE FIGURAS ...............................................................................................
ix

LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Medição da Ocupação do Espectro. .............................................................
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Principais características da camada física do padrão IEEE 802.22. .............. 28
Tabela 2...
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LISTA DE ABREVIATURAS

3GPP

Third Generation Partnership Project

4G

Quarta geração.

Abert

Associação Brasileira d...
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IEEE

Institute of Electric and Electronic Engineers.

IMT

International Mobile Telecommunications.

ITU

Internatio...
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SDR

Software Defined Radio.

SNR

Signal to Noise Ratio.

TDD

Time Division Duplex.

TDMA

Time Division Multiple ...
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LISTA DE SÍMBOLO

Rb

Taxa de bits.
CAPÍTULO 1.

INTRODUÇÃO

Em consequência da elevada demanda da utilização da conectividade sem fio, o
espectro de frequênc...
A tecnologia de Rádios Cognitivos nasceu no fim do século XX e está sendo
considerada nos futuros padrões de comunicação s...
cobertura em uma rede sem fio regional (WRAN – Wireless Regional Area Network) [12]
empregando os canais de TV de UHF não ...
ANATEL, a utilização da frequência do operador primário na mesma área de concessão (ou
em qualquer área) por um usuário qu...
CAPÍTULO 2.

INTRODUÇÃO À TECNOLOGIA DE RÁDIO

COGNITIVO
Este capítulo mostra a importância do rádio cognitivo como soluçã...
A Figura 3 ilustra o ciclo do rádio cognitivo. Este ciclo é iniciado com o sensoriamento
espectral, onde informações sobre...
Outra questão relevante é o problema do usuário primário oculto, que é causado por
algum desvanecimento profundo (propagaç...
3. RÁDIO COGNITIVO E RÁDIO DEFINIDO POR SOFTWARE
O SDR é construído em torno de software com base em processamento digital...
O rádio cognitivo se baseia no conceito de SDR, onde grande parte das funções do
dispositivo de comunicação sem fio é real...
de software do SCA define um ambiente operacional comum, provendo implantação de
diferentes arquiteturas de hardware em di...
Já a plataforma CORBA (Common Object Request Broker Architecture) [38] é uma
arquitetura de infraestrutura aberta que os c...
CAPÍTULO 3.

PADRÕES

DE

COMUNICAÇÃO

SEM

FIO

BASEADOS EM RÁDIO COGNITIVOS
Este capítulo mostra a influência do rádio c...
propagação estão aptos a atingir vazões mais elevadas do que os usuários que experimentam
condições mais severas [40].
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canais disponíveis em determinada localidade e a potência máxima que poderá ser transmitida
sem causar interferência no us...
disponíveis para que a respectiva rádio base altere a potência máxima de transmissão,
frequência do canal e largura do can...
O LTE vem se destacando como o principal padrão de telefonia móvel celular de quarta
geração. Este padrão foi definido pel...
compartilhados com usuários secundários. Está especificado para o padrão LTE Advanced a
possibilidade de utilizar essa téc...
vazão de dados de cada usuário não é máxima, constituindo a subutilização do espectro de
frequências.
Resposta do Canal

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modulação adaptativa, deve se levar em conta a BER (Bit Error Rate) tolerada, a resposta em
frequência do canal na frequên...
transmitidos pelas diferentes antenas [41]. Já com a diversidade de transmissão, dependendo
do envio do sinal codificado p...
Figura 10. Relay Node utilizando torres e os próprios usuários como repetidores do sinal.

4. IEEE 802.16M
Conhecido por W...
robusta com o usuário. Com esta técnica, o esquema de código corretor de erro e modulação
são selecionados de acordo com a...
Internet

Malha

Figura 12. 802.16m modo Mesh

5. CONCLUSÃO
Em face aos padrões apresentados no capítulo 3, conclui-se que...
CAPÍTULO 4.

CONCLUSÕES

Os principais desafios encontrados pelos padrões apresentados neste trabalho, estão
relacionados ...
REFERÊNCIAS
[1] J. Afonso Cosmo Júnior, “Métodos para a Avaliação da Eficiência de Utilização do
Espectro Radioelétrico”, ...
[14] “O que é 4GO que é 4G » Aprenda sobre essa nova tecnologia”, jan-2013. [Online].
Available at: http://oquee4g.com.br/...
[28] Cleiber Marques da Silva, “Uma Arquitetura Recon_gur_avel Heterogênea para
R_adios De_nidos por Software utilizando u...
[41] João Filipe Eloi Aleluia Carrasco Gonçalves, “Análise de Desempenho dos Sistemas L
TE e LTE-Advanced com base em Simu...
[54] Sherman, M., “IEEE Standards Supporting Cognitive Radio and Networks, Dynamic
Spectrum Access, and Coexistence”, Comm...
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Utilização de rádios cognitivos nas futuras gerações de sistemas de comunicação sem fio

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Utilização de rádios cognitivos nas futuras gerações de sistemas de comunicação sem fio

  1. 1. i UTILIZAÇÃO DE RÁDIOS COGNITIVOS NAS FUTURAS GERAÇÕES DE SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO Autores: Altieres Mariano Martins Frederico José de Souza Gomes Messias de Oliveira Ricardo Emílio da Silva Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para obtenção do Título de Engenheiro Eletricista. ORIENTADOR: Prof. Dr. Luciano L. Mendes Santa Rita do Sapucaí Julho de 2013
  2. 2. ii
  3. 3. iii FOLHA DE APROVAÇÃO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado e aprovado em 05/07 /2013 pela comissão julgadora:
  4. 4. iv A nossas famílias.
  5. 5. v AGRADECIMENTOS Agradecemos primeiramente a Deus pelas nossas vidas e pelo conhecimento e sabedoria que nos proporcionou para concluir este trabalho, e agradecemos as nossas famílias que nos apoiaram durante esses cinco anos de estudos. A todas as pessoas que de alguma forma nos ajudaram com sua amizade e conselhos que vão ficar em nossas memorias para sempre, fica o nosso, muito obrigado. Um agradecimento especial ao professor Dr. Luciano Leonel Mendes, nosso orientador que nos ajudou muito com sua dedicação e conhecimento, orientando-nos de como fazer um bom trabalho de conclusão de curso. A todo o corpo docente do Instituto Nacional de Telecomunicações, que não mediram esforços em nos passar seus conhecimentos adquiridos em anos de muitas pesquisas e árduos trabalhos. Em especial ao professor Dr. Rausley Adriano Amaral de Souza, professor Dr. José Marcos Câmara Brito, e ao Professor Msc Anderson Daniel Soares que muito nos auxiliaram nos ouvindo e aconselhando.
  6. 6. vi RESUMO O objetivo deste trabalho é apresentar a utilização de rádios cognitivos nas futuras gerações de sistemas de comunicação sem fio. Contém os princípios de rádio cognitivo, mostrando sua importância e o porquê se estuda esta tecnologia. Algumas formas de sensoriamento espectral também são apresentadas, mostrando como é feito a varredura no espectro para que possa ser realizado o compartilhamento do canal sem afetar o usuário primário (ou licenciado), que detém o direito de uso do canal. Algumas plataformas para implementação do rádio cognitivo também serão apresentadas. Os principais padrões que empregam a tecnologia de Rádio Cognitivo serão apresentados neste trabalho, dando-se ênfase aos parâmetros que mais são afetados por esta inovação. O padrão IEEE 802.22 foi o primeiro padrão de comunicação de dados sem fio a empregar o conceito de rádio cognitivo, para viabilizar o acesso dinâmico ao espectro de forma oportunista. Outro padrão que está em processo de desenvolvimento é o padrão IEEE 802.11af, que tem por objetivo operar na faixa de UHF juntamente com os canais de TV. Isto é possível com a utilização das características do rádio cognitivo, que tem como principal função fazer o sensoriamento do espectro, verificando possíveis canais que estão livres que possam ser utilizados para que se possa fazer à agregação de canais necessária à vazão do usuário secundário. A tecnologia rádio cognitivo também possui uma parcela de contribuição no desenvolvimento das redes 4G de telefonia móvel. O padrão LTE foi proposto como evolução do sistema móvel, porém a sua nova versão LTE Advanced considera o rádio cognitivo para atender a demanda de dados. O WiMAX 2.0, desenvolvido para ambiente móvel com base no padrão IEEE 802.16m, também possui correlação com rádio cognitivo e apresenta modificações com o objetivo de atender os requisitos das redes 4G. Palavras-chaves: 4G; Alocação de Subportadoras; Modulação Adaptativa; Rádio Cognitivo; Sensoriamento Espectral;
  7. 7. vii ABSTRACT The objective of this work is to present the use of cognitive radios in future generations of wireless communication systems. Here, the principles of cognitive radio are presented, showing the importance of this technology for the future wireless broadband systems. Some forms of spectral sensing are also presented, clarifying how the vacant channels, also known as white spaces, can be found without interfering in the primary users. The main standards that employs Cognitive Radio technologies are explored in this document, focusing on the parameters that are mostly influenced by this innovation. The IEEE 802.22 standard was the first wireless data communication to employ the concept of cognitive radio, to enable dynamic access to spectrum opportunistically. Another standard that is under development will IEEE 802.11af, which aims to operate in the UHF band with TV channels, it is possible with the use of the characteristics of cognitive radio which has the main function to the sensing the spectrum for possible channels which are free which can be used can be done so that the aggregation of channels required output secondary user. Cognitive radio technology also has a share of contribution in the development of 4G mobile networks. The LTE standard has been proposed as an evolution of the mobile system, but its new version, called LTE Advanced, considers the cognitive radio to reach the requested throughput. WiMAX 2.0, developed for mobile environment based on IEEE 802.16m, also has correlation with cognitive radio, and presents changes in order to reach the requirements of 4G networks. Keywords: 4G; Allocation of subcarriers; Adaptive Modulation; Cognitive Radio, Spectrum Sensing;
  8. 8. viii ÍNDICE LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................... 9 LISTA DE TABELAS............................................................................................................. 10 LISTA DE ABREVIATURAS ................................................................................................ 11 LISTA DE SÍMBOLOS .......................................................................................................... 14 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................... 15 1. HISTÓRICO DO RÁDIO COGNITIVO .................................................................. 16 2. NOVOS PADRÕES DE COMUNICAÇÃO SEM FIO. ............................................ 16 3. MOTIVAÇÃO ......................................................................................................... 18 4. OBJETIVOS ............................................................................................................ 18 5. ESTRUTURA DO TRABALHO .............................................................................. 18 CAPÍTULO 2. INTRODUÇÃO À TECNOLOGIA DE RÁDIO COGNITIVO ................ 19 1. PRINCÍPIOS DE RÁDIO COGNITIVO .................................................................. 19 2. SENSORIAMENTO ESPECTRAL. ......................................................................... 20 3. RÁDIO COGNITIVO E RÁDIO DEFINIDO POR SOFTWARE ............................. 22 4. PLATAFORMAS PARA IMPLEMENTAÇÃO DE RÁDIO COGNITIVO.............. 23 5. CONCLUSÕES ........................................................................................................ 25 CAPÍTULO 3. PADRÕES DE COMUNICAÇÃO SEM FIO BASEADOS EM RÁDIO COGNITIVOS... ..................................................................................................................... 26 1. IEEE 802.22 ............................................................................................................. 26 2. IEEE 802.11AF ........................................................................................................ 28 3. LTE ADVANCED ................................................................................................... 29 4. IEEE 802.16M.......................................................................................................... 35 5. CONCLUSÃO ......................................................................................................... 37 CAPÍTULO 4. CONCLUSÕES............................................................................................ 38 REFERÊNCIAS ...................................................................................................................... 39
  9. 9. ix LISTA DE FIGURAS Figura 1. Medição da Ocupação do Espectro. .............................................................. 15 Figura 2. Exemplo de Rede Cognitiva. ........................................................................ 19 Figura 3. Ciclo do rádio cognitivo. .............................................................................. 20 Figura 4. Estrutura básica do SDR............................................................................... 23 Figura 5. Comparação entre OFDM e OFDMA. .......................................................... 27 Figura 6. Influência da largura de banda na vazão do padrão LTE utilizando a configuração MIMO 2X2. ........................................................................................... 31 Figura 7. Espectro subutilizado. .................................................................................. 32 Figura 8. Espectro distribuído em função da resposta em frequência do canal. ............ 32 Figura 9. Vazão do sistema LTE em função do arranjo do sistema MIMO. ................. 34 Figura 10. Relay Node utilizando torres e os próprios usuários como repetidores do sinal. ........................................................................................................................... 35 Figura 11. Alocação de subportadoras de um algoritmo de maximização da vazão de dados. ......................................................................................................................... 36 Figura 12. 802.16m modo Mesh .................................................................................. 37
  10. 10. x LISTA DE TABELAS Tabela 1 Principais características da camada física do padrão IEEE 802.22. .............. 28 Tabela 2 Principais parâmetros para o padrão IEEE 802.11af. ..................................... 29 Tabela 3 Principais características do LTE. ................................................................. 30 Tabela 4. Características do padrão IEEE 802.16m. .................................................... 35
  11. 11. xi LISTA DE ABREVIATURAS 3GPP Third Generation Partnership Project 4G Quarta geração. Abert Associação Brasileira de Emissoras de Rádio e Televisão. ANATEL Agência Nacional de Telecomunicações. A/D Analógico para Digital. BER Bit Error Rate CORBA Commun Object Request Broker Architecture. CTC Convolutional Turbo Codes. D/A Digital para Analógico. DFT Discrete Fast Fourier. DL Downlink. ERB Estação Rádio Base EUA Estados Unidos da América. FCC Federal Communications Commission. FDD Frequency Division Duplex. FFT Fast Fourier Transform. FPGA Field-Programmable Gate Array. GPL General Public License.
  12. 12. xii IEEE Institute of Electric and Electronic Engineers. IMT International Mobile Telecommunications. ITU International Telecommunication Union. LTE Long Term Evolution. MAC Media Access Control. MIMO Multiple Input Multiple Output. MU-MIMO Multiuser Multiple Input Multiple Output. OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing. OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access. OSSIE Open Source SCA Implementation Embedded. PHY Physical Layer. QAM Quadrature Amplitude Modulation. QoS Quality of Service. QPSK Quadrature Phase Shift Keying. R8 Release 8. R10 Release 10. RDP Rádio Digital Programável. RF Radiofrequência. SC-FDMA Single Carrier - Frequency Division Multiple Access. SCA Software Communications Architecture.
  13. 13. xiii SDR Software Defined Radio. SNR Signal to Noise Ratio. TDD Time Division Duplex. TDMA Time Division Multiple Access. TFFT Time Fast Fourier Transform. TTI Time Transmission Interval. TV Televisão. EU User Equipment. UL Uplink. UHF Ultra High Frequency. USRP Universal Software Radio Peripheral. White-FI Space-White. Wi-Fi Wireless Fidelity. Wi-MAX Worldwide Interoperability for Microwave Access. WiNC2R Winlab Network Centric CR. WRAN Wireless Regional Area Network.
  14. 14. xiv LISTA DE SÍMBOLO Rb Taxa de bits.
  15. 15. CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO Em consequência da elevada demanda da utilização da conectividade sem fio, o espectro de frequências, que é um recurso natural limitado, se esgota a cada dia, dificultando cada vez mais implantações de redes sem fio, ou até mesmo o aumento da capacidade das já existentes. Esse problema precisa ser superado a fim de possibilitar o contínuo avanço das telecomunicações [1]. Não procurar uma solução para esse problema, seria como se ficar parado no tempo no que diz respeito ao crescimento tecnológico de modo geral, uma vez que qualquer tecnologia que venha a ter como base o uso do espectro de frequência não seria viável, já que o mesmo estaria bloqueado para novas aplicações. A questão da ocupação espectral se torna um ponto importante quando há escassez desse recurso. Conforme mostra a Figura 1, reproduzida de [2] com autorização do autor, nem todos os sistemas licenciados ocupam durante 100% do tempo a banda destinada para a sua operação. Isso significa que embora uma determinada faixa do espectro esteja restrita ao uso de uma dada tecnologia, esta faixa não é efetivamente utilizada durante todo o tempo. Essa constatação abre espaço para uma nova forma de utilização do espectro de frequências, denominada de acesso dinâmico ao espectro [3]. Para que um terminal possa acessar o espectro de forma oportunista é necessário que o mesmo tenha conhecimento das condições espectrais na região em que se encontra. Essa capacidade de análise e de conhecimento das condições espectrais está associada aos Rádios Cognitivos [4]. Figura 1. Medição da Ocupação do Espectro. 15
  16. 16. A tecnologia de Rádios Cognitivos nasceu no fim do século XX e está sendo considerada nos futuros padrões de comunicação sem fio e, por esta razão, vem sendo amplamente estudada e desenvolvida em diversos centros de pesquisa no mundo. 1. HISTÓRICO DO RÁDIO COGNITIVO Um sistema de radiocomunicação digital clássico é formado por um conjunto de circuitos eletrônicos que realizam procedimentos que não podem ser alterados ao longo do tempo. Tipicamente, estes rádios podem operar dentro de uma larga faixa de frequências, mas a mudança de uma faixa de operação para outra requer a intervenção de um operador humano e, normalmente, resulta em queda do enlace de comunicação durante a mudança [5]. Em 1993 Joseph Mitola iniciou os estudos sobre SDR (Software Defined Radio) [6] que é um rádio definido por software, capaz de mudar os procedimentos realizados durante a comunicação de forma dinâmica e sem a necessidade de mudança do hardware. Em 1999, Joseph Mitola utilizou o conceito de cognição, que é o processo de tomar decisões e resolver problemas através da aquisição de conhecimentos com experiências passadas [7], para propor uma nova classe de rádios, capazes de identificar canais ociosos e utilizá-los de forma oportunista. Estes rádios também são capazes de perceber quando um usuário primário [8] inicializa a utilização do canal e, após esta constatação, o rádio cognitivo é capaz de mudar de faixa de operação sem causar interferências nos detentores da licença de uso do canal. Desta forma, a tecnologia de rádio cognitivo possibilita o uso mais eficiente do espectro de frequências, pois explora os canais de comunicação destinados a outros serviços apenas enquanto estes estão ociosos. 2. NOVOS PADRÕES DE COMUNICAÇÃO SEM FIO. A evolução das técnicas de comunicação sem fio permite o surgimento de novos padrões a uma alta velocidade. Não são incomuns novas versões de padrões de comunicação sem fio consolidados serem anunciadas praticamente todos os anos, tal como é possível observar com o Wi-Fi (Wireless Fidelity) [9]. O advento da tecnologia de rádio cognitivo está motivando o surgimento de uma nova série de padrões de comunicação sem fio que visam atender as mais diferentes demandas da sociedade moderna. O padrão IEEE 802.22 [10] foi o primeiro padrão de sistema de comunicação de dados sem fio a empregar o conceito de rádio cognitivo. Este padrão foi baseado no Wi-MAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) [11], mas visa atender grandes áreas de 16
  17. 17. cobertura em uma rede sem fio regional (WRAN – Wireless Regional Area Network) [12] empregando os canais de TV de UHF não utilizados. Este padrão é uma solução interessante para viabilizar acesso à Internet em regiões de baixa densidade populacional, como áreas rurais e regiões limítrofes de grandes centros, ou seja, regiões pobremente atendidas pelas tecnologias de acesso à Internet convencional [10]. Já o padrão IEEE 802.11af [13] também denominado de White- FI é uma derivação do padrão Wi-Fi que opera de forma oportunista na faixa de UHF. Este padrão busca utilizar as excelentes condições de propagação da faixa de UHF para viabilizar maiores áreas de cobertura sem visada direta. A tecnologia de rádio cognitivo será empregada para evitar que os sinais deste padrão causem interferência nos sinais de TV [13]. A tecnologia de rádio cognitivo também está afetando os sistemas de quarta geração (4G) [14] de telefonia móvel celular. O LTE (Long Term Evolution) Release 8 (R8) [15], foi desenvolvido para prover altas taxas de transmissão. No entanto, sua nova versão, denominada de LTE Advanced Release 10 [15], já considera a utilização de técnicas de rádio cognitivo para explorar a utilização da faixa de UHF. Já o IEEE 802.16m, que é a mais recente atualização do padrão Wi-MAX, também considera a utilização da ocupação oportunista do espectro [16]. Assim, espera-se que haja uma consolidação em torno desta nova forma de utilizar o espectro de frequência nos futuros sistemas de comunicação sem fio. Isso irá exigir mudanças nas formas de outorgas e fiscalização do uso do espectro por parte dos órgãos reguladores. No Brasil a ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações) é o órgão a que compete à regulamentação do setor de telecomunicações. Com base nas necessidades de avanços rumo a soluções para a crescente demanda do uso de comunicação sem fio, o FCC (Federal Communications Commission) [17], órgão responsável pelas regulamentações dos sistemas de comunicações dos EUA (Estados Unidos da América), permitiu em 2008, para uso não licenciado, a utilização dos intervalos em branco de frequências entre os canais de TV analógica. Em 2010, aprovou regras para uso desses intervalos e dos canais liberados da TV Digital [18]. Uma grande dificuldade da ANATEL para regulamentar a operação do rádio cognitivo, é garantir que não ocorram interferências na operação primária. Segundo as normas da 17
  18. 18. ANATEL, a utilização da frequência do operador primário na mesma área de concessão (ou em qualquer área) por um usuário que não possua a concessão, implica em uma infração em que a legislação determina ao infrator o desligamento de seus equipamentos para não interferir na operação primária, que não pode sofrer a interferência de qualquer outro sinal [19]. Outra preocupação da ANATEL e de técnicos da ABERT (Associação Brasileira de Emissoras de Rádio e Televisão), para o uso de rádio cognitivo, é a garantia de que a tecnologia possua a capacidade de encontrar problemas relacionados à interferência na recepção do serviço de rádio difusão [18]. 3. MOTIVAÇÃO Para os profissionais que atuam na área de telecomunicações, é de suma importância o estudo da influência do rádio cognitivo nos próximos padrões de comunicação sem fio. Por intermédio desta tecnologia serão abertos novos horizontes, como por exemplo, a melhor utilização do espectro eletromagnético e aumento da vazão, que pode ser viabilizada pela utilização de um esquema de comunicação adaptativa, previsto nos futuros padrões de comunicação sem fio de faixa larga. 4. OBJETIVOS Este trabalho tem como objetivo a apresentação da tecnologia Rádio Cognitivo nas futuras gerações de sistemas de comunicações sem fio, explorando os impactos na sociedade causados por esta nova forma de utilizar o espectro de frequências. 5. ESTRUTURA DO TRABALHO Este trabalho está dividido em quatro capítulos, organizados da seguinte forma: O Capítulo 2 apresenta os princípios do rádio cognitivo. O Capítulo 3 aborda os padrões de comunicações sem fio que são baseados em rádio cognitivo e, finalmente, o Capítulo 4 traz as conclusões e considerações finais do trabalho. 18
  19. 19. CAPÍTULO 2. INTRODUÇÃO À TECNOLOGIA DE RÁDIO COGNITIVO Este capítulo mostra a importância do rádio cognitivo como solução para melhor utilização do espectro, bem como mostra que o conceito de SDR está ligado com o rádio cognitivo, apresentando algumas formas de sensoriamento e algumas plataformas para implementação do mesmo. 1. PRINCÍPIOS DE RÁDIO COGNITIVO Como alternativa para resolver o problema de escassez espectral, o rádio cognitivo usufrui da capacidade de compartilhar o espectro eletromagnético. Duas características básicas do rádio cognitivo são a capacidade cognitiva e a reconfigurabilidade. Um rádio com a capacidade cognitiva é capaz de conhecer o meio em que se opera, pois este rádio tem como principal diferencial o fato de operar como usuário secundário na faixa de frequência do usuário primário [8] de forma oportunista [20], nos espaços espectrais não utilizados, ou não utilizados em 100% do tempo [21]. A Figura 2 ilustra uma rede cognitiva, onde a qual além de não provocar interferência no usuário primário, libera a faixa quando o usuário primário volta a transmitir. Mas para isso, é necessário usufruir de sua reconfigurabilidade para se adequar ao próximo canal que será alocado. E este evento de conhecimento e aprendizagem, do qual o sensoriamento espectral faz parte, é um dos mais importantes fatores para a viabilidade e funcionamento da tecnologia rádio cognitivo [21]. Figura 2. Exemplo de Rede Cognitiva. 19
  20. 20. A Figura 3 ilustra o ciclo do rádio cognitivo. Este ciclo é iniciado com o sensoriamento espectral, onde informações sobre os canais livres e ocupados são levantadas. Os dados provenientes do sensoriamento são processados e armazenados no ciclo de aprendizagem, onde as estatísticas dos diversos canais são observadas para guiar as decisões sobre ocupação oportunista. Uma vez determinado que um dado canal possa ser alocado de forma oportunista por um dado intervalo de tempo, o rádio altera suas características de transmissão e recepção para se adequar às condições de comunicação do novo canal. O processo de sensoriamento de canal é realizado periodicamente para certificar que um usuário primário não iniciou a comunicação no canal em uso pelo rádio cognitivo e também para determinar novas oportunidades de transmissão em outros canais ociosos. Espectro eletromagnético Sensoriamento espectral Aprende Se adapta ao meio Decide Figura 3. Ciclo do rádio cognitivo. 2. SENSORIAMENTO ESPECTRAL. O método de sensoriamento espectral tem como objetivo distinguir quais canais de comunicação estão livres e quais estão ocupados [22]. O sensoriamento espectral deve ser periodicamente realizado dentro da largura de faixa ocupada pelo rádio cognitivo para evitar que haja interferência com um usuário primário cuja transmissão iniciou-se depois do rádio cognitivo alocar o canal. Isso significa que o rádio cognitivo deve suprimir a sua comunicação de tempos em tempos para realizar o sensoriamento do canal. Esta atividade acaba por reduzir a vazão do rádio cognitivo [23]. 20
  21. 21. Outra questão relevante é o problema do usuário primário oculto, que é causado por algum desvanecimento profundo (propagação por múltiplos percursos), assim o rádio cognitivo pode ver aquele instante de tempo como uma oportunidade de transmissão ocasionando assim uma colisão com o usuário primário. Uma possível solução para amenizar este problema seria a utilização do sensoriamento colaborativo, onde os usuários secundários compartilham informações provenientes do sensoriamento, reduzindo a possibilidade da não detecção de um usuário primário. Este tipo de sensoriamento pode ser centralizado, onde todos os usuários enviam os dados do sensoriamento para um nó central responsável pela tomada de decisão, ou distribuído, onde as decisões são tomadas pelos nós sem a supervisão de um nó central [24]. Existem diversas técnicas de sensoriamento espectral como detecção de energia, cicloestacionariedade e filtro casado [25]. Na técnica de detecção de energia, a energia presente em cada canal é medida pelos terminais de rádio cognitivo e comparada com um limiar. Se o valor medido for maior do que o limiar estabelecido, então considera-se que o canal está ocupado. Caso o valor medido seja inferior ao limiar, então o canal é classificado como ocioso. O maior problema desta técnica é seu baixo desempenho no que se refere a probabilidade de detecção e probabilidade de falso alarme. Na técnica cicloestacionária, os terminais de rádio cognitivo realizam a análise da transformada de Fourier da autocorrelação do sinal medido em cada um dos canais, comparando o resultado com a assinatura espectral das possíveis tecnologias que possam ocupar a banda de frequência. Esta técnica apresenta um melhor desempenho com relação a probabilidade de detecção e de falso alarme quando comparada com a técnica de detecção de energia, porém o tempo necessário para o processamento é elevado, o que pode inviabilizar sua utilização para tomadas rápidas de decisão. A técnica de filtro casado consiste em demodular a informação transmitida pelos usuários primários utilizando um receptor compatível com a camada física dos usuários primários. Essa técnica, que apresenta desempenho ótimo no que se refere a capacidade de detecção, não é utilizada largamente na prática por que requer que o rádio cognitivo seja capaz de demodular os sinais de todas as tecnologias que possam utilizar uma dada faixa de frequência [26] [25]. 21
  22. 22. 3. RÁDIO COGNITIVO E RÁDIO DEFINIDO POR SOFTWARE O SDR é construído em torno de software com base em processamento digital de sinais, apresenta uma plataforma de rádio genérico flexível, sua camada física é composta por blocos implementados em software. A maior parte das funções realizadas em um equipamento de rádio convencional são realizadas no SDR por meio de um software. O SDR é um rádio que pode implementar novas funcionalidades para atender uma demanda que não foi prevista no momento de concepção do sistema [27]. Grande parte do processamento de sinais do SDR é realizada por um processador de propósito geral, o que permite ao SDR receber e transmitir diferentes protocolos de rádio [26]. O SDR é capaz de operar em diferentes bandas, modulações, formatos de onda e em uma ampla gama de frequências, com isto o SDR pode suportar diversos padrões como o GSM (Global System for Mobile); EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) e WCDMA (Wide-Band Code-Division Multiple Access). Podendo também, suportar diversas tecnologias de múltiplo acesso como TDMA (Time Division Multiple Access); CDMA (Code Division Multiple Access); OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) e SDMA (Space Division Multiple Access) [27]. A Figura 4 mostra o diagrama de blocos da estrutura de um SDR ideal. A antena inteligente, o hardware flexível, os conversores A/D e D/A compõem o módulo front-end RF. Através da antena inteligente, que é capaz de alterar o seu diagrama de irradiação dinamicamente em função das mudanças do ambiente, o sinal RF de entrada é detectado e entregue ao hardware flexível. Neste hardware flexível encontram-se, por exemplo, amplificador de baixo ruído para regenerar o sinal, Up Converter para transladar o sinal para uma frequência intermediária, e filtros. O sinal analógico é entregue ao conversor analógico digital que o converte para o formato digital e o entrega ao processador [28]. Em função das variações da resposta do canal o SDR pode alterar características como a frequência de operação, o tipo de modulação utilizada e potência de transmissão [28]. É importante distinguir o SDR de um rádio controlado por software. No rádio controlado por software as funções do rádio são controladas por programa, sendo as funções constituídas por hardware. 22
  23. 23. O rádio cognitivo se baseia no conceito de SDR, onde grande parte das funções do dispositivo de comunicação sem fio é realizada por um programa operando em processadores de uso geral. O rádio cognitivo opera consciente do seu ambiente, de seu estado de configuração, de sua localização, e ajusta de forma autônoma suas operações [29], possui a capacidade de aprender e tomar decisões a partir de experiências. É essencial no rádio cognitivo a utilização do aprendizado para influenciar decisões futuras do rádio [29]. Antena Inteligente A/D Hardware Flexível Processamento D/A Figura 4. Estrutura básica do SDR. Para viabilizar esse processo é fundamental que o rádio tenha capacidade de se reconfigurar, permitindo inclusive que novas funcionalidades sejam agregadas a camada física e MAC (Media Access Control) para atender uma nova demanda [27], o que torna o SDR a plataforma ideal para a implementação desse tipo de sistema [30]. 4. PLATAFORMAS PARA IMPLEMENTAÇÃO DE RÁDIO COGNITIVO As plataformas para implementação de rádio cognitivo são um conjunto de ferramentas de hardware e software utilizadas para implementar esse tipo de rádio. O SCA (Software Communications Architecture) [31] é uma infraestrutura de software aberta, voltada para o desenvolvimento de SDR, desenvolvida pelo Departamento de Defesa dos EUA. Na arquitetura SCA, uma aplicação de rádio é denominada “formas de onda”, são transformações realizadas para superar distúrbios provenientes seja de interferência de rádio, seja de propagação no ambiente. O SCA foi desenvolvido para ser capaz de suportar plataformas de diferentes capacidades. A capacidade de suportar plataformas de diferentes capacidades juntamente com o padrão de forma de onda, melhora a portabilidade das aplicações de rádio. A infraestrutura 23
  24. 24. de software do SCA define um ambiente operacional comum, provendo implantação de diferentes arquiteturas de hardware em diferentes plataformas [31]. A OSSIE (Open Source SCA Implementation Embedded) [32] é um software de código aberto, cujo código fonte é disponibilizado para o uso, estudo ou redistribuição. Este software foi um esforço para desenvolvimento do SDR. A OSSIE foi desenvolvida especificamente para pesquisas de rádios cognitivos. Ele é baseado na arquitetura SCA, e é usado para implementação do SDR, fornecendo um ambiente completo de desenvolvimento de software. Uma das ferramentas de desenvolvimento de software para implementação do SDR é o GNU Radio[33], licenciado pela GPL (General Public License) [33]. O GNU Radio é muito utilizado por ser uma biblioteca de software aberta. No GNU Radio, como em qualquer rádio, o mesmo é implementado com processamento de sinais digitais e fluxo de dados, sendo que os blocos de processamento de sinais digitais são escritos na linguagem C++ e a linguagem Phython é utilizada para criar uma rede para ligar os blocos entre si [33]. Juntamente com o GNU Radio tem-se o USRP (Universal Software Radio Peripheral), formando uma plataforma para construção do SDR. O USRP [34] é uma plataforma para desenvolvimento de SDR, com preço acessível e desenvolvido pela Ettus Research, que foi adquirida pela multinacional National Instruments [35]. Esta plataforma é projetada de forma a permitir que um computador de uso geral seja usado como plataforma de SDR de banda larga [36]. Os componentes principais que compõe o circuito do USRP são a placa mãe, que é responsável por todas as funções programáveis mais complexas, e a placa filha, que é onde fica o módulo de RF (Radiofrequência) [35]. A plataforma WiNC2R (Winlab Network Centric CR) [35] integra os software GNU Radio às camadas físicas e de controle de acesso ao meio, e CogNet para as funcionalidades das camadas superiores da pilha de protocolos. Outra característica desta plataforma é que ela suporta vários padrões de comunicação sem fio. A Plataforma WiNC2R permite que o fluxo de dados seja escolhido em tempo de execução durante seu processamento e para isso, são implementados alguns mecanismos de sincronização [35]. Usando sua arquitetura de software, a WiNC2R tem grande flexibilidade e, tem alta velocidade de operação devido a sua plataforma de hardware [37]. 24
  25. 25. Já a plataforma CORBA (Common Object Request Broker Architecture) [38] é uma arquitetura de infraestrutura aberta que os computadores usam para trabalhar conectados junto a uma rede. O CORBA permite que programas escritos em linguagens diferentes rodando em computadores diferentes, trabalhem juntos em uma mesma aplicação ou serviço [39]. 5. CONCLUSÕES A tecnologia rádio cognitivo é tema de várias pesquisas que estão sendo realizadas para encontrar uma solução eficiente para utilização do espectro. Com o espectro eletromagnético congestionado fica difícil a implantação de novas tecnologias, como por exemplo, o LTE. Com base nos estudos pode-se concluir que o rádio cognitivo influenciará positivamente na melhora das técnicas de transmissão de rádio, possibilitar banda larga em lugares ainda sem Internet e possibilitar aumento nas redes já existentes. 25
  26. 26. CAPÍTULO 3. PADRÕES DE COMUNICAÇÃO SEM FIO BASEADOS EM RÁDIO COGNITIVOS Este capítulo mostra a influência do rádio cognitivo nos futuros padrões de comunicação sem fio e os objetivos que se almejam com o uso dessa tecnologia. As principais características dos padrões de comunicação também serão apresentadas para permitir um melhor esclarecimento de como a cognição pode beneficiar o sistema de comunicação. 1. IEEE 802.22 O IEEE 802.22 é um padrão voltado para conectividade em localidades distantes dos grandes centros urbanos. Este padrão emprega a tecnologia de rádio cognitivo para viabilizar o acesso dinâmico ao espectro de forma oportunista, revolucionando a forma de utilização do espectro de frequência. Este padrão foi baseado no Wi-MAX [11] e foi o primeiro padrão de comunicação de dados sem fio a empregar o conceito de rádio cognitivo, tornando-se uma solução interessante para viabilizar o acesso à Internet em regiões de baixa densidade populacional. No padrão IEEE 802.22, emprega-se um método inovador de compartilhamento no domínio espacial, que é o reuso de frequência para viabilizar dois enlaces distintos com terminais em localidades diferentes. Outro diferencial do padrão é que os terminais alocam dinamicamente canais de TV de VHF e UHF que não estão ociosos, melhorando o uso do espectro de frequências [40]. O IEEE 802.22 visa atender grandes áreas de cobertura em uma rede sem fio regional WRAN [12], podendo formar células de até 100 km de diâmetro. Isso somente é possível graças à capacidade de análise do canal de comunicação e da técnica de comunicação adaptativa empregadas no IEEE 802.22. Como os usuários podem experimentar condições de comunicação distintas com a ERB (Estação Rádio Base), a comunicação adaptativa oferece uma grande flexibilidade para o sistema, pois permite que os parâmetros de comunicação de cada enlace sejam definidos em função destas condições. A capacidade cognitiva do rádio permite estabelecer uma melhor relação de compromisso entre vazão e robustez em função do canal de comunicação, o que significa que usuários submetidos a melhores condições de 26
  27. 27. propagação estão aptos a atingir vazões mais elevadas do que os usuários que experimentam condições mais severas [40]. Este padrão, assim como praticamente todos os demais padrões de comunicação banda larga, emprega o OFDM. Hoje se busca cada vez mais eficiência de transmissão, e uma forma de aumentar a eficiência é compartilhando subportadoras de um símbolo OFDM com múltiplos usuários. Essa técnica se chama OFDMA, e consiste em alocar subportadoras de um mesmo símbolo OFDM para diferentes usuários, viabilizando o múltiplo acesso. Com esta técnica é possível compartilhar os recursos de um símbolo OFDM entre usuários que não têm demanda para utilizar todas as subportadoras. A Figura 5 [41], ilustra o diferencial de se utilizar OFDMA em relação ao OFDM. Subportadoras Subportadoras Símbolos (Tempo) Símbolos (Tempo) Usuário 1 Usuário 2 Usuário 3 OFDM OFDMA Figura 5. Comparação entre OFDM e OFDMA. A principal função do rádio cognitivo neste padrão é gerenciar o acesso dinâmico ao canal [42]. Em redes convencionais, o sensoriamento espectral trata-se de utilização de recursos e de prover qualidade de serviço, mas em redes cognitivas, o gerenciamento do canal adiciona uma proteção ao usuário primário, ou seja, um dos parâmetros chave para gerenciamento do canal é a monitoração do usuário primário. No padrão IEEE 802.22, o sensoriamento espectral realiza medidas nos diferentes canais de comunicação para determinar quais canais estão livres e quais canais estão ocupados. As informações dos canais ficam em um banco de dados, e este banco de dados disponibiliza para a ERB as informações dos canais disponíveis em certa região por um servidor autenticado pelo órgão regulamentador. Este banco de dados pode ser acessado por qualquer dispositivo de rádio cognitivo sem nenhum custo operacional, e nele irá conter os 27
  28. 28. canais disponíveis em determinada localidade e a potência máxima que poderá ser transmitida sem causar interferência no usuário primário [42]. As principais características da camada física do padrão IEEE 802.22 estão apresentadas na Tabela 1. Tabela 1. Principais características da camada física do padrão IEEE 802.22. Parâmetro Modulações Códigos Convolucionais Método de Acesso Múltiplo Largura de Faixa Eficiência espectral média Valor QPSK, 16-QAM, 64-QAM 1/2, 3/4, 2/3 OFDMA / TDMA 6, 7, 8 MHz 3 bit/s/Hz 2. IEEE 802.11AF O IEEE 802.11af é um padrão da familia Wi-Fi que opera na faixa de UHF. Este padrão foi criado pelo IEEE 802.11 WG (Work Group) a partir das especificações do IEEE 802.11n, porém com a capacidade de alocar dinamicamente os canais de TV não ocupados na localidade de operação da rede. Uma vantagen de se trabalhar na faixa de TV digital é que ela é um canal estático e previsível facilitando o sensoriamento [43]. Para fazer a alocação dos canais de TV não utilizados, o rádio cognitivo define modificações nas camadas MAC (Media Access Control) e PHY (Physical Layer). A camada Física deve ter a capacidade de se adaptar a diferentes condições e ter flexibilidade para mudar de um canal para outro, em função das consdições de comunicação, e também conseguir se ajustar a largura de banda disponível. A camada MAC, com o auxílio do rádio cognitivo, pode melhorar a técnica de cooperativismo, que consiste em que cada elemento da rede faz o sensoriamento espectral antes de transmitir, isso também é conhecido como “ouvir antes de falar”. Isso contribui para que a utilização do IEEE 802.11af na faixa de TV sem que ocorram interferências [44]. Neste padrão, funções cognitivas são realizadas usando a gestão de potência do canal e um mecanismo de alocação dinâmica de canais. A função cognitiva também é responsável por não permitir interferência no canal das emissoras de TV dependentes que operam sob o controle de orgãos reguladores. Utilizando funções cognitivas neste padrão através de um servidor seguro registrado como mencionado anteriormente no padrão IEEE 802.22, o gerenciamento da potência do canal também é usado para atualizar a lista de canais 28
  29. 29. disponíveis para que a respectiva rádio base altere a potência máxima de transmissão, frequência do canal e largura do canal. O sensoriamento espectral é ponto fundamental para a utilização do rádio cognitivo, sendo responsável por manter as informações de disponibilidade de espectro, seleção do canal, gestão do canal e operação de agendamento de sensoriamento do espectro. Pelo fato de operar em uma faixa de frequência abaixo de 1 GHz, o padrão IEEE 802.11af possibilita alcançar uma área maior de cobertura [45]. Este padrão pode operar com até quatro canais de 6 MHz de largura de banda, que podem ser agregados de forma adaptativa, de acordo com a disponibilidade. Esta adaptação ou agregação de canais é uma tarefa do rádio cognitivo, que pode verificar qual canal possui melhores condições para serem utilizados em função da necessidade do usuário secundário [46]. A Tabela 2, reproduzida de [47], apresenta os principais parâmetros do padrão IEEE 802. 11af. Tabela 2. Principais parâmetros para o padrão IEEE 802.11af. Parâmetro Técnica de transmissão Taxa de Transmissão Rb Mbit/s Taxa de Codificação Espaçamento entre Subportadoras em kHz Número total de subportadoras Modulação Valor OFDM 3,6 7,3 16,3 17,1 ½ ¾ 5/6 78,125 156,25 312,5 64 QPSK 16QAM 64QAM 3. LTE ADVANCED Com o crescente número de usuários para a utilização de dispositivos móveis, é necessário que as operadoras de telefonia móvel implantem melhorias que possibilitem não apenas o ingresso de novos usuários, mas também possibilitem o aumento da vazão para usuários já existentes. 29
  30. 30. O LTE vem se destacando como o principal padrão de telefonia móvel celular de quarta geração. Este padrão foi definido pelo 3GPP (Third Generation Partnership Project) e já está em operação em diversos países ao redor do globo. Exemplo disso são os Estados Unidos e Canadá, e até mesmo o Brasil, que está previsto 900 mil conexões LTE até o final de 2013, segundo a revista Exame [48]. A Tabela 3 mostra as principais características do padrão LTE [49]. O padrão LTE não atende algumas especificações exigidas pela ITU (International Telecommunication Union) e, por isso, um novo padrão foi proposto para a 4ª geração do sistema móvel celular. Este novo padrão é o LTE Advanced, que emprega algumas tecnologias associadas ao rádio cognitivo. A finalidade do rádio cognitivo neste padrão é possibilitar o uso do espectro de forma dinâmica e automática, de maneira a alocar espectro de acordo com a necessidade e disponibilidade encontradas nas mais diversas situações, tanto do espectro quanto as taxas exigidas pelo usuário. Tabela 3 Principais características do LTE. Forma de Acesso Uplink-UL Downlink-DL Largura de faixa em MHz (Time Transmission Interval - Mínimo Espaçamento entre Subportadoras Curto Tempo de guarda Longo Modulação Multiplexação espacial SC-FDMA ( Single Carrier - Frequency Division Multiple Access) OFDMA 1,4 3 5 10 15 20 1 ms 15 kHz 4,7 µs 16,7 µs QPSK 16QAM 64QAM Camada única para UL por usuário Até 4 camadas para DL por usuário Multi-User MIMO Suportado por UL e DL A subutilização do espectro também é caracterizada pela atribuição recursos para usuários. Para explorar esses recursos com eficiência é necessário ter conhecimento das condições do canal de comunicações. Com a aquisição conhecimentos, torna-se possível o aumento da largura de banda com agregação de canais de usuários que não estiverem transmitindo em um dado momento, ou seja, os canais subutilizados podem ser 30
  31. 31. compartilhados com usuários secundários. Está especificado para o padrão LTE Advanced a possibilidade de utilizar essa técnica de agregação de canais, podendo agregar até 5 canais de 20 MHz, totalizando uma banda de 100 MHz [41]. Com a utilização de rádio cognitivo, em sua consepcão mais futurística, essa agregação de canais poderá ser dinâmica e automática. Com o aumento da largura da banda utilizada é possível aumentar a taxa de transmissão, o que justifica o compartilhamento do espectro eletromagnético por meio da utilização da tecnologia rádio cognitivo. A Figura 6, reproduzida de [41] com autorização dos autores, obtida utilizando a configuração MIMO 2X2 e modulação 16-QAM, evidencia a influência da largura de banda na taxa de transmissão. Figura 6. Influência da largura de banda na vazão do padrão LTE utilizando a configuração MIMO 2X2. Além de possibilitar alocação dinâmica do espectro para aumentar a largura da banda, o rádio cognitivo na camada MAC, também possibilita a otimização do espectro das subportadoras OFDMA. Este, se não for distribuído levando-se em conta a resposta em frequência do canal, pode ficar subutilizado acarretando uma vazão de bits inferior a conseguida com a otimização [44]. A Figura 7 ilustra o espectro subutilizado por subportadoras OFDMA, onde as linhas contínuas representam subportadoras, destinadas á usuários e as linha tracejadas representam as respostas em frequência do canal. Observando a Figura 7 é possível concluir que a alocação das subportadoras não foi feita levando-se em consideração a resposta em frequência dos canais experiementados por cada usuário, uma vez que as subportadoras alocadas para cada usuário sofrem fortes atenuações. Desta forma, a 31
  32. 32. vazão de dados de cada usuário não é máxima, constituindo a subutilização do espectro de frequências. Resposta do Canal Subportadoras Resposta do Canal Usuário 1 Usuário 2 Usuário 3 Figura 7. Espectro subutilizado. Com o rádio cognitivo, é feito o sensoriamento espectral, em uma concepção mais ampla, para distribuir as subportadoras alocadas de acordo com suas respectivas resposta em frequência do canal, objetivando sempre melhorar o rendimento do sistema de forma dinâmica e automática [44]. A Figura 8 ilustra o espectro das subportadoras OFDMA otmizado. Nesta situação o sensoriamento vai além de apenas detectar quais canais estão livres para serem utilizados de forma oportunista, como proposto por Mitola em sua consepção inical na década de 90. A linhas contínuas representam subportadoras que, além de alocadas conforme a demanda, foram distribuídas de maneira a explorar melhor os canais por meio da análise da respostas em frequência de cada canal que, nesta figura, são representadas por linhas tracejadas. Resposta do Canal Subportadoras Resposta do Canal Usuário 1 Usuário 2 Usuário 3 Figura 8. Espectro distribuído em função da resposta em frequência do canal. Para que a alocação dinâmica de recursos seja eficiente, é necessário utilizar um esquema de modulação adaptativa [44]. Na determinação do número de bits por símbolo da 32
  33. 33. modulação adaptativa, deve se levar em conta a BER (Bit Error Rate) tolerada, a resposta em frequência do canal na frequência da subportadora, a potência disponível e o nível de ruído no receptor. Também são necessários algoritmos de alocação de recursos que determinem a alocações de subportadoras e seus respectivos débitos binários em função da estimação das características de cada canal de comunicação. Estes algoritmos, detalhados [44], têm como objetivo aumentar a vazão do sistema, analizar as demanda mínimas de cada usuário para fazer a alocação e, ainda, diminuir a potência de cada usuário caso não seja necessário aumentar a vazão para atender as demandas. Outra proposta futurística pra o LTE Advanced, operando em um cenário que todos os dispositivos da rede possuem rádio cognitivo com a função de sensoriamento espectral, seria o usuário poder informar a ERB sobre a disponibilidade de canais não utilizados de outra ERB em sua região. Isso é conhecido como sensoriamento espectral distribuído [50]. Também tem-se o sensoriamento espectral centralizado, onde todos os dispositivos com capacidade de sensoriamento enviam as informações sobre o espectro de frequências em sua localidade para um nó central, que tem a responsabilidade de definir quais são as frequências que podem ser utilizadas de forma oportunista [50]. Tipicamente, o papel de nó central neste tipo de sensoriamento é executado pela ERB, que envia as informações necessárias para os terminais modificarem dinamicamente suas configurações de comunicação. E ainda com o propósito de conseguir altas taxas, além de aumentar a largura de banda, tanto o LTE quanto o LTE Advanced contam com a técnica de transmissão MIMO (Multiple Input Multiple Output) [41], onde o sinal é transmitido e recebido por duas ou mais antenas com fluxo de dados diferentes. E na recepção utilizando processamento digital de sinais, esses fluxos de dados são separados multiplicando a vazão por 2, se utilizar o arranjo MIMO 2X2 [41], como previsto para o LTE Advanced. Para o LTE, onde MIMO é opcional, pode-se utilizar até o arranjo MIMO 4X4, e para o LTE Advanced, que MIMO é obrigatório, pode-se utilizar até o arranjo MIMO 8X8. Se os sinais forem combinados corretamente no receptor, a robustez e/ou a vazão do sistema podem ser melhoradas. Como melhoria para a tecnologia MIMO pode ser a inclusão da multiplexação espacial, pré-codificação e ainda diversidade de transmissão [41]. Na multiplexação espacial os sinais são divididos, em função do número de antenas, antes de serem transmitidos. Na recepção esses sinais são reagrupados em um único sinal, aproveitando os de maior SNR (Signal to Noise Ratio) e considerando os demais como ruído [51]. Com a pré-codificação, a SNR pode ser melhorada com a ponderação dos sinais 33
  34. 34. transmitidos pelas diferentes antenas [41]. Já com a diversidade de transmissão, dependendo do envio do sinal codificado por várias antenas, é possível tornar em vantagam a propagação por multiplos percursos entre transmissor e receptor por meio dos valores de tensão e fase [51]. Essa técnica de transmissão MIMO é opcional no LTE, mas já no LTE Advanced é obrigatória para contribuir no alcance de altas taxas de UL e DL. A Figura 9, reproduzida de [41] com autorização dos autores, obtida utilizando banda de 5 MHz e modulação 16-QAM, demonstra como a vazão de bits é influenciada pelo número de antenas do esquema MIMO em função da relação sinal-ruído. Figura 9. Vazão do sistema LTE em função do arranjo do sistema MIMO. Outra característica do LTE Advanced para melhorar os quesitos de QoS (Quality Of Service), é a possibilidade de utilizar Relay Node [44], que são nós de retransmissão. Uma proposta mais audaciosa consiste em utilizar os próprios terminais dos usuários como Relay Nodes em um esquema denominado de comunicação cooperativa. Neste caso, os usuários mais próximos da ERB podem atuar como uma ponte de comunicação para os usuários que estão nas bordas da célula. A Figura 10 ilustra o Relay Node evidenciando o uso de torres repetidoras e a opção de utilizar os próprios usuários como repetidores do sinal. 34
  35. 35. Figura 10. Relay Node utilizando torres e os próprios usuários como repetidores do sinal. 4. IEEE 802.16M Conhecido por Wireless MAN-Advanced ou WiMAX 2 o padrão IEEE 802.16m foi desenvolvido com o objetivo de atender aos requisitos para redes 4G mantendo a compatibilidade com versões anteriores. Foi projetado para suportar as frequências em todas as faixas de IMT (International Mobile Telecommunications) abaixo de 6 GHZ [52]. Desenvolvido para ser utilizado em ambientes com características de propagação que se alteram ao longo do tempo, prevê interface aérea avançada que chega a taxa de 100 Mbps com mobilidade e 1 Gbps no caso fixo. Utiliza modulação adaptativa e técnica de acesso OFDMA para uplink e downlink [53], a Tabela 4 [52] apresenta características definidas para o padrão IEEE 802.16m. Tabela 4. Características do padrão IEEE 802.16m. Padrão WiMAX WiMAX 2 Duplexação TDD TDD - FDD Múltiplo acesso TDM / TDMA OFDMA 5; 7; 8,75; 10 e 20 (Até 100 MHz Banda de operação (MHz) 5; 7; 8,75; e 10 utilizando agregação de canais) Tem uma única antena de MIMO cooperativo para até 4 UL MU-MIMO colaboração antenas de Transmissão DL MU-MIMO Não suporta Até 4 usuários emparelhado. Cobertura 10 km 3 km; 5-30 km e 30-100 km O padrão 802.16m emprega conceitos de rádio cognitivo [54] utilizando o espectro de forma oportunista através da agregação de canais, otimizando a utilização do espectro com o aumento ou diminuição da banda ofertada em função da necessidade de cada usuário. Dessa forma pode chegar a uma largura de banda de 100 MHz agregando canais de 20 MHz [53]. Este padrão utiliza comunicação adaptativa, o que permite que se estabeleça uma conexão 35
  36. 36. robusta com o usuário. Com esta técnica, o esquema de código corretor de erro e modulação são selecionados de acordo com as condições do canal de comunicação [55]. Através do sensoriamento espectral o rádio cognitivo deve ser capaz de determinar porções não utilizadas do espectro, compartilhar o acesso com outros usuários, selecionando o melhor canal disponível tendo como base características como a resposta em frequência do canal, taxa de erro, vazão e QoS. No padrão 802.16m torna-se possível determinar quais subportadoras e respectivas ordens de modulação deverão ser alocadas a cada usuário em função destas características, com o emprego do algoritmo de alocação adaptativa na técnica de acesso OFDMA. A Figura 11, reproduzida com autorização dos autores, ilustra a alocação de subportadoras [44]. Figura 11. Alocação de subportadoras de um algoritmo de maximização da vazão de dados. Ao se deparar com uma situação onde se encontre impossibilitado de se comunicar com a rádio base, o rádio cognitivo ciente do ambiente que está inserido deve ser capaz de se autoconfigurar para estabelecer comunicação através dos recursos disponíveis. Desta forma, pode utilizar o rádio vizinho como um nó da rede e estabelecer comunicação com a rádio base por meio de múltiplos saltos [56]. De forma semelhante o padrão 802.16m pode operar no modo Mesh, formando dinamicamente uma malha entre seus clientes e, através de múltiplos saltos entre nós intermediários, os pacotes dos clientes atingem o destino remoto [57], conforme ilustra a Figura 12. 36
  37. 37. Internet Malha Figura 12. 802.16m modo Mesh 5. CONCLUSÃO Em face aos padrões apresentados no capítulo 3, conclui-se que ainda existem questões a serem mais profundamente pesquisadas. Isso porque, para que esses padrões alcancem tanto a vazão quanto os quesitos de QoS almejados, fica indispensável o uso de rádio cognitivo. E por viabilizar o aumento da vazão para os usuários respeitando os quesitos de QoS, mesmo em senários onde existe escassez de banda e outros fatores que inibem a transmissão em altas taxas, fica justificado o uso de uma tecnologia tão complexa quanto o rádio cognitivo. 37
  38. 38. CAPÍTULO 4. CONCLUSÕES Os principais desafios encontrados pelos padrões apresentados neste trabalho, estão relacionados com aumento da vazão obedecendo aos quesitos de QoS. Com o objetivo de superar esse desafio, esses padrões utilizam a tecnologia rádio cognitivo. Neste trabalho foram realizadas pesquisas sobre rádio cognitivo nos futuros padrões de comunicação sem fio. Também foi mostrado como os padrões operavam antes e depois da inclusão do rádio cognitivo, enfatizando as vantagens do uso dessa tecnologia tão complexa. A melhor forma de aproveitar o espectro eletromagnético é usando a tecnologia de rádio cognitivo, e o padrão IEEE 802.22 é uma boa solução para aproveitar o espectro usando os canais de TV que não estão sendo utilizados, podendo formar células de até 100 km de raio, para prover acesso à Internet em regiões afastadas dos grandes centros urbanos. O rádio cognitivo que opera pelo padrão aloca dinamicamente canais de TV que não estão sendo utilizados para usuários secundários, e o gerenciamento do canal adiciona uma proteção ao usuário primário, para quando ele necessitar da utilização do canal. De acordo com os estudos feitos sobre o padrão IEEE 802.11af, através da utilização das técnicas de rádio cognitivo no sensoriamento do espectro, geolocalização, comunicação com o banco de dados de TV WS e nas camadas MAC e PHY. Este padrão se torna bastante promissor para dar inicio a esta nova mudança dentro da faixa de frequência de TV, devido a grande demanda wireless nos grandes centros urbanos e também em relação ao seu baixo custo em relação a outros padrões. Com base nos estudos apresentados sobre o LTE Advanced neste trabalho, conclui-se que, o rádio cognitivo além de contribuir para o aumento da vazão, também leva em conta os quesitos de QoS, apesar de operar em faixas do espectro com ocupações instáveis. O que demanda mais dedicação da parte de sensoriamento espectral. Com a presença do rádio cognitivo no padrão 802.16m conclui-se que o espectro passa a ser mais bem utilizado. Os algoritmos de alocação adaptativa agregam maior eficiência na alocação das subportadoras, e poderão apresentar desempenho melhor assumindo configurações dinâmicas conforme a determinação do rádio cognitivo através de seu processo cognitivo. 38
  39. 39. REFERÊNCIAS [1] J. Afonso Cosmo Júnior, “Métodos para a Avaliação da Eficiência de Utilização do Espectro Radioelétrico”, Pontífica Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2006. [2] Eng. Ângelo Canavitsas, “Metodologia para avaliação dos níveis de interferências permissíveis gerados por rádios cognitivos em sistemas primários de telecomunicações”, apresentado em Seminário - Rádio Cognitivo - Brasília – ANATEL, Brasília - Distrito Federal - Brasil., 31-set-2011. [3] Silva, Marcel William Rocha da, “Redes Cognitivas com Oportunidades Dinâmicas de Acesso ao Espectro”, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2011. [4] Ângelo Canavitsas, “Conceitos sobre Rádio Cognitivo”, Rio de Janeiro - RJ, Reunião do Grupo Ad-Hoc de Propagação, maio 2011. [5] “Libertação de telecomunicações”. [Online]. Available at: http://noticias.universia.es/translate/es-pt/vidauniversitaria/noticia/2005/12/13/604317/liberacion-telecomunicaciones.html. [Acessado: 13-mar-2013]. [6] M. J., “Software radios: Survey, critical evaluation and future directions.”, IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, vol. III, 1993. [7] “Introdução a Cognição”. [Online]. Available http://www.slideshare.net/sergiolima/introduo-a-cognio. [Acessado: 13-mar-2013]. at: [8] L. Roveda Faganello, “Q-Noise : um algoritmo de alocação dinâmica de canal para Rádio Cognitivo”, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2012. [9] “O que é Wi-Fi (IEEE 802.11)?” [Online]. http://www.infowester.com/wifi.php. [Acessado: 13-abr-2013]. Available at: [10] “IEEE-SA - IEEE 802.22-2011 Standard for Wireless Regional Area Networks in TV Whitespaces Completed”. [Online]. Available at: http://standards.ieee.org/news/2011/802.22.html. [Acessado: 16-mar-2013]. [11] Luciana dos Santos Lima, Luiz Fernando Gomes Soares, Markus Endler, “WiMAX: Padrão IEEE 802.16 para Banda Larga Sem Fio”, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio), Rio de Janeiro, 2004. [12] Andson Marreiros Balieiro, “Handoff de espectro em redes baseadas em rádio cognitivo utilizando redes neurais artificias.”, Universidade Federal do Pará Intituto de Tecnologia, BELÉM, 2011. [13] “IEEE 802.11af White-Fi :: Radio-Electronics.Com”. [Online]. Available at: http://www.radio-electronics.com/info/wireless/wi-fi/ieee-802-11af-white-fi-tv-space.php. [Acessado: 13-mar-2013]. 39
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