Rádios Cognitivos:
Conceitos Básicos
Minicurso
Introdução à Redes Sem Fio Inteligentes
Semana Acadêmica 2013/1
Cristiano Both, Rafael Kunst, Lucas Bondan,
Maicon Kist, Leonardo Faganello,
Lisandro Granville, Juergen Rochol
`
Agenda
① Introdução a Redes de Rádios Cognitivos
② Aprendizado em Rádios Cognitivos
③ Funções Cognitivas
④ Cenários de Utilização
⑤ Considerações Finais
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Redes de Rádios Cognitivos
Introdução
 Redes de próxima geração demandam banda larga
 Serviços de banda larga (vídeo, voz e dados)
 Cobertura cidade e zona rural (WPANs, WLANs,
WMANs, WRANs)
 Demanda por espectro de frequências gera escassez
deste recurso
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Redes de Rádios Cognitivos
Introdução (cont.)
 A política atual de alocação do espectro colabora
para o problema da escassez
 A alocação do espectro é definida por agências
governamentais (Anatel, FCC, etc)
 Grande parte do espectro está alocado, porém
subutilizado [39]
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Redes de Rádios Cognitivos
Utilização do Espectro nos Estados Unidos
1
0.9
0.8
Utilização
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Faixa de Frequência (MHz)
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Redes de Rádios Cognitivos
Utilização do Espectro nos Estados Unidos
 2002: Nos Estados Unidos a FCC propôs a
exploração de canais de TV para prover acesso de
banda larga em zonas rurais
 2004: Canais 5 a 13 (VHF) e 15 a 51 (UHF)
foram reservados
 2009: padrão IEEE 802.22 foi publicado
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Agenda
① Introdução a Redes de Rádios Cognitivos
② Aprendizado em Rádios Cognitivos
③ Funções Cognitivas
④ Cenários de Utilização
⑤ Considerações Finais
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Redes de Rádios Cognitivos
Aprendizado em Rádios Cognitivos
 Rádio cognitivo é um termo proposto por Mitola
em 1999 que designa rádios inteligentes
 RC tomam decisões baseadas no ambiente de RF
usando um modelo de raciocínio
 Podem aprender com suas experiências passadas
 Devem ser self-aware, context-aware e content-aware
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Redes de Rádios Cognitivos
Aprendizado em Rádios Cognitivos
 Bakssiny et al. (2013)
Técnicas de
Aprendizagem
Não
Supervisionadas
Aprendizagem
por Reforço
Métodos
Bayesianos
Supervisionadas
Teoria dos Jogos
Redes Neurais
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Máquina de
Vetores
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Redes de Rádios Cognitivos
Aprendizado em Rádios Cognitivos
 Não Supervisionado
 Permite aprendizagem autônoma
 Não demanda conhecimento prévio sobre o
ambiente
 Supervisionado
 Conhecimento prévio é necessário
 Por exemplo: formato de uma onda
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Redes de Rádios Cognitivos
Aprendizado em Rádios Cognitivos
 Rádio cognitivo utiliza este aprendizado para prover acesso
dinâmico ao espectro de frequências
 Usuários primários (licenciados) e secundários (oportunistas)
compartilham o espectro
 Usuários secundários devem ser capazes de adaptar a
frequência de transmissão dinamicamente
 4 funções cognitivas são definidas
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Agenda
① Introdução a Redes de Rádios Cognitivos
② Aprendizado em Rádios Cognitivos
③ Funções Cognitivas
④ Cenários de Utilização
⑤ Considerações Finais
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Redes de Rádios Cognitivos
Funções Cognitivas
 Dois tipos de usuários: primários e secundários
 Requer a implementação de mecanismos para:
 Coexistência entre os usuários
 Gerenciamento do sensoriamento espectral
 Gerenciamento da geolocalização
 Dynamic Spectrum Access (DSA)
 Coexistência entre redes através do Coexistence Beacon
Protocol (CBP)
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Redes de Rádios Cognitivos
Funções Cognitivas (cont.)
 Usuários secundários devem implementar quatro
mecanismos para lidar com a escassez espectral:
1. Determinar porções não utilizadas do espectro
2. Selecionar o melhor canal dentre os disponíveis
3. Compartilhar o acesso com outros usuários
4. Liberar o canal quando um usuário primário desejar
transmitir
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Redes de Rádios Cognitivos
Funções Cognitivas [52]
Mobilidade
Camada de Enlace
• Quatro funções definidas
para
possibilitar
a
implementação
dessas
técnicas
Decisão
Compartilhamento
Energia
Frequência
Camada Física
Livre
Livre
Atividades dos usuários primários
Livre
Requisição de adaptação
Tempo
Sensoriamento
Relatório de reconfiguração do rádio
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Funções Cognitivas
Sensoriamento Espectral [46]
Sensoriamento
Espectral
Detecção do
Sinal do Transmissor
Sensoriamento
Cooperativo
Centralizado
Detecção de
Energia
Detecção de
Formato de Onda
Baseado na
Interferência
Distribuído
Sensoriamento
Cicloestacionário
Identificação
de Rádio
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Filtragem
Casada
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Funções Cognitivas
Sensoriamento Espectral [46]
Detecção de
• Energia
Yucek,
Detecção de
Sensoriamento
Identificação
Formato de
Onda
de Rádio
Arslan,
H.;
, "ACicloestacionário
survey of spectrum
sensing
Filtragem
Casadafor
algorithms
T.;
cognitive radio applications," Communications Surveys & Tutorials, IEEE ,
vol.11, no.1, pp.116-130, First Quarter 2009
•
•
•
•
•
•
•
Métodoamais
Técnica
Baseada
Utiliza
Reconhecimento
ótimo
no
periodicidade
reconhecimento
utilizada
para
da detecção,
tecnologia
dos sinais
dequando
utilizada
padrões
o sinal
pelosdo
Compara
Obtida
Pode
usuários
usuário
serpela
primário
primários
introduzida
a energia
correlação
é conhecido
percebida
intencionalmente
entre do
o
[50]
sinal
sinalrecebido
com
paraum
permitir
elimite
uma
Simples
cópia
o
Demanda
Pouco
sensoriamento
previamente
tempo
e barata
conhecimento
é necessário
espectral
conhecida
completo
paradeste
o sensoriamento
sobre
sinal o sinal
Conhecimento
Demanda
Técnica
transmitido
Requer
conhecimento
robusta
conhecimento
pelos
sobre
em
usuários
cenários
asperfeito
características
sobre
primários
com
das
oselevada
características
padrões
do sinal
de do
sinais,
do
usuário
o
quantidade
Trabalha
sinal
quedo
nem
primário
usuário
em
sempre
deconjunto
ruídos
primário
é está
necessário
ecom
disponível
interferências
outras técnicas
Não
Muito
Demanda
• Frequência
Detecção
diferencia
aplicado
muitos
dede
oenergia
sinal
operação,
recursos
através
do
[47,
usuário
de
do
técnica
48]
processamento
reconhecimento
primário
de modulação,
do ruídodo
padrão
Tempo
• formato
Detecção
para
de preâmbulo
do
detecção
dequadro,
formato
elevado
dos
etc
desinais
[51]
onda [49]
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Funções Cognitivas
Compartilhamento Espectral [52]
Centralizado [53]
Distribuído [54]
Colaborativo [52]
Network #1
Unidade
Central
Base de
Políticas
Base de
Políticas
Network #2
Base de
Políticas
Mapa de alocação espectral
Requisição/Resposta - Políticas
Usuário secundário
Área de compartilhamento espectral
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Funções Cognitivas
Decisão Espectral [56]
 Usuário secundário seleciona o melhor canal
disponível
 Leva
em
o histórico do canal
consideração
Analisa o
passado
Selecionado
 Interferências
 Média de utilização
 Atrasos/Jitter
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Funções Cognitivas
Mobilidade Espectral [52]
 Alteração
na
configuração
Selecionado
do
dispositivo (Handoff espectral)
Handoff
 Recebe
informações
da
função de decisão espectral
 A duração do handoff deve ser conhecida pelos usuários
secundários para evitar interferências
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Agenda
① Introdução a Redes de Rádios Cognitivos
② Aprendizado em Rádios Cognitivos
③ Funções Cognitivas
④ Cenários de Utilização
⑤ Considerações Finais
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Cenário 1: IEEE 802.22
Plano Cognitivo
Plano de Dados
Plano de Gerenciamento
e Controle
SM-SSF
SAP
Função de
Sensoriamento
Espectral
(SSF)
SM-GL
SAP
PHY - SAP
Geolocalização
(GL)
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C- SAP
MAC - SAP
M- SAP
CS - SAP
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Cenário 1: IEEE 802.22
 Camada Física:
 Orthogonal Frequency Division Multiple Access
(OFDMA) com 2048 subportadoras
 Largura de banda: 6, 7 ou 8 MHz
 Suporta Time Division Duplex (TDD), podendo
incluir Frequency Division Duplex (FDD) no futuro
 Não suporta organização das antenas tipo
Multiple Input Multiple Output (MIMO)
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Cenário 1: IEEE 802.22
 Codificação de Canal:
 Códigos Convolucionais são obrigatórios
 Podem ser aplicados Turbo Codes e Low Density Parity
Check (LDPC)
 Entrelaçamento de bloco
 Modulações: BPSK, QPSK e QAM
 14 Modulation and Coding Schemes (MCS)
 12 para transmissão de dados
 2 para envio de mensagens de controle
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Cenário 1: IEEE 802.22
 Camada MAC:
 Orientada à conexão
 Upstream:
compartilhado
usando
DAMA
(Demand Assigned Multiple Access)
 Algoritmo de escalonamento deve ser proposto
 Downstream: escalonamento simples
 Dados organizados em slots consecutivos
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Cenário 1: IEEE 802.22
 Camada MAC (cont.):
 Tecnologias tradicionais implementam:
 Sincronização, ranging, negociação de capacidade,
autorização, registro, configuração de conexão
 IEEE 802.22 inclui também:
 Geolocalização,
base
sensoriamento espectral
de
dados
inicial,
de
acesso,
sincronização
entre redes e descoberta de vizinhos
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Cenário 1: IEEE 802.22
 Superquadro IEEE 802.22:
160ms
…
Superquadro n-1
Superquadro n
…
Superquadro n+1
10ms
Quadro 0
Preâmbulo do
Superquadro
Preâmbulo
Quadro
Quadro 1
Cabeçalho
…
Preâmbulo
Quadro
Quadro 14
Quadro 15
Fonte: Norma IEEE 802.22
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Cenário 1: IEEE 802.22
 Superquadro IEEE 802.22 - Coexistência:
160ms
…
WRAN 0
Superquadro n-1
Superquadro n
…
Quadro 0
WRAN 1
…
Superquadro n+1
Quadro 15
Quadro 1
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Quadro IEEE 802.22
5
......
10
FCH
US - MAP
0
26 a 42 símbplos OFDM (Nota 1)
Ranging/BW request/UCS notification
Burst 1
DCD
10
UCD
Burst 3
....
Bursts
.....
Burst 1
Burst
40
US - MAP
60 Subcanais (Nota 2)
50
Burst 2
Abreviaturas
FCH: Frame Control Header
US: upstream
DS: downstream
DCD: Downstream Channel Descriptor
UCD: Upstream Channel Descriptor
BW: Bandwidth
UCS: Urgent Coexistence Situation
CBP: Coexistence Beacon Protocol
SCW: Self coexistence window
Time buffer
Time buffer
Burst m
Bursts
Burst 2
Burst 1
Frame Preamble
30
DS - MAP
20
Coexistence Beacon Protocol (CBP) bursts (3 simbolos quando escalonados)
Burst 2
Notas
Nota 1: 1 slot OFDM = 1 símbolo por 1 subcanal
Nota 2: Subcanal = unidade básica de um canal lógico
composto de 28 subportadoras (24 de dados + 4 pilotos.
Nota 3: Menor porção de uma rajada US é igual a 7
símbolos OFDM por Subcanal
Burst n
Burst 3
Fonte: Norma WRAN IEEE 802.22
Subquadro US (Nota 3)
SCW = 5 simb
RTG
Subquadro DS
TTG
60
29
Cenário 2: Frequências ISM
 Coexistência entre tecnologias nas faixas ISM
Banda total ISM 2,4 GHz (Bt=83.5 MHz)
Banda efetiva IEEE 802.15.1: B=79 MHz
1,5 MHz
Canal 1
1
2,400
Canal 6
IEEE 802.11
Canal 1
IEEE 802.11
5
10
15
2,410
Numeração Canais
IEEE 802.15.1
(Bluetooth)
20
25
2,420
30
35
2,430
40
2,440
3 MHz
Canal 11
IEEE 802.11
45
50
55
2,450
60
2,460
65
Canal 79
70
2,470
75
79 No. canal
2,480
2,485
GHz
Utilização da Banda ISM em 2,4 GHz pelo IEEE 802.15.1
2423,5 MHz
fc: 2424 MHz
2424,5 MHz
B: 1 MHz
Canal 23 - Bluetooth
IEEE 802.15.1
Banda total definida pelo
IEEE 802.15.1
Banda de guarda inferior
Banda de guarda superior
Bt=83,5 MHz (2400 MHz a 2483,5 MHz)
B=79 MHz (79 canais com 1 MHz de largura)
1,5 MHz
3,0 MHz
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Cenário 3: Redes de Sensores Sem Fio
 Redes de Sensores Sem Fio e Industriais (TDMA)
 Modelagem Poisson [83]
 Alocação Q-Learning [84] e Q-Noise [85]
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Cenário 4: OFDMA
Características
 Pode ser aplicado em redes celulares e redes de quarta
geração
sobressalente no canal
 Sensoriamento
Mapas
 Utilizar a capacidade
Preâmbulo
Subcanais (Frequência)
Dados 2
na capacidade do canal
 Ideal
Dados 3
Dados 1
Livre
baseado
Símbolos OFDM (tempo)
para
serviços
Best Effort, mas há soluções pensando em QoS
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① Introdução a Redes de Rádios Cognitivos
② Aprendizado em Rádios Cognitivos
③ Funções Cognitivas
④ Cenários de Utilização
⑤ Considerações Finais
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Considerações Finais
 Importância dos rádios cognitivos
 Conceitos de cognição
 Funções cognitivas e arquiteturas
 Cenários de utilização
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34
Referências
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vol. 12, no 2, June 1964, pp. 138-150
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Transaction on Magnetics, vol 6, no 3, September 1970, pp. 618-618
[8] Kleinrock, L.; Tobagi, F. Packet Switching in Radio Channels: Part I--Carrier Sense Multiple-Access Modes and Their ThroughputDelay Characteristics. IEEE Transactions on Communications [legacy, pre – 1988], vol 23, no 12, December 1975, pp. 1400-1416
[9] Morgan, P.; Hannah, M.; Collins, H. Spread-spectrum synchronizer using a SAW convolver and recirculation loop. Proceedings of
the IEEE, vol 64, no 5, May 1976, pp. 751-753
[10] Shaft, P. Low-Rate Convolutional Code Applications in Spread-Spectrum Communications. IEEE Transactions on
Communications [legacy, pre – 1988], vol 25, no 8, August 1977 pp. 815-822
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Communications,
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5,
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1991,
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783-793
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Metropolitan Area Networks- Specific Requirements Part Ii: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer
(PHY) Specifications," IEEE Std 802.11g-2003 (Amendment to IEEE Std 802.11, 1999 Edn. (Reaff 2003) as amended by IEEE
Stds 802.11a-1999, 802.11b-1999, 802.11b-1999/Cor 1-2001, and 802.11d-2001) , vol., no., pp.i-67, 2003
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Metropolitan Area Networks - Specific Requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer
(PHY) Specifications Amendment 8: Medium Access Control (MAC) Quality of Service Enhancements," IEEE Std 802.11e-2005
(Amendment to IEEE Std 802.11, 1999 Edition (Reaff 2003) , vol., no., pp.0_1-189, 2005
[33] IEEE Trial-Use Recommended Practice for Multi-Vendor Access Point Interoperability Via an Inter-Access Point Protocol
Across Distribution Systems Supporting IEEE 802.11 Operation," IEEE Std 802.11F-2003 , vol., no., pp.0_1-67, 2003
[34] IEEE Standard for Information technology--Telecommunications and information exchange between systems--Local and
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