Redes Cognitivas: Um Novo Paradigma para as ... - SBRC 2010

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Redes Cognitivas: Um Novo Paradigma para as ... - SBRC 2010

Redes Cognitivas: Um Novo Paradigma para as

Comunicações Sem Fio

Marcelo Portela Sousa 1,2 , Rafael Fernandes Lopes 1,2,3 ,

Waslon Terllizzie Araújo Lopes 1,2 e Marcelo Sampaio de Alencar 1,2

1 Universidade Federal de Campina Grande – UFCG

2 Instituto de Estudos Avançados em Comunicações – IECOM

3 Instituto Federal do Maranhão – IFMA

Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos (SBRC 2010)

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Sobre os autores

Marcelo Portela Sousa

◮ Formação:

⋆ Engenharia Elétrica, ÁREA1

⋆ Mestrado em Engenharia

Elétrica, UFCG

⋆ Doutorando em Engenharia

Elétrica, UFCG

◮ Prof. Substituto, IFPB

Waslon Terllizzie Araújo Lopes

◮ Formação:

⋆ Engenharia Elétrica, UFPB

⋆ Mestrado em Engenharia

Elétrica, UFPB

⋆ Doutorado em Engenharia

Elétrica, UFCG

◮ Prof. Adjunto I, UFCG

Rafael Fernandes Lopes

◮ Formação:

⋆ Ciência da Computação, UFMA

⋆ Mestrado em Engenharia

Elétrica, UFMA

⋆ Doutorando em Engenharia

Elétrica, UFCG

◮ Prof. Assistente II, IFMA

Marcelo Sampaio de Alencar

◮ Formação:

⋆ Engenharia Elétrica, UFPE

⋆ Mestrado em Engenharia

Elétrica, UFPB

⋆ Ph.D. Engenharia Elétrica,

University of Waterloo, Canadá

◮ Prof. Titular, UFCG

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Roteiro

1 Introdução

2 Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

3 Projeto da Camada Física

Sensoriamento Espectral

Arquitetura Física para o Sensoriamento Espectral

Técnicas de Sensoriamento Espectral

4 Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

5 Controle de Acesso ao Meio

6 Projeto da Camada de Rede

7 Aplicações das Redes Cognitivas

8 Considerações Finais

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Introdução

1 Introdução

2 Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

3 Projeto da Camada Física

Sensoriamento Espectral

Arquitetura Física para o Sensoriamento Espectral

Técnicas de Sensoriamento Espectral

4 Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

5 Controle de Acesso ao Meio

6 Projeto da Camada de Rede

7 Aplicações das Redes Cognitivas

8 Considerações Finais

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Introdução

Introdução

Apesar da grande procura por algumas faixas de espectro, estudos

indicam uma sub-utilização delas;

Pesquisa realizada pela Força Tarefa em Poĺıticas de Espectro da

Comissão de Comunicações Federal (FCC – Federal Communications

Commission):

◮ Variação temporal e geográfica no uso do espectro alocado (entre 15 e

85%).

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Introdução

Medição da utilização do espectro de 0-6 GHz no centro

de Berkeley

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Redes Cognitivas

Introdução

A limitada disponibilidade de espectro e a ineficiência de sua

utilização geram novas demandas:

◮ Mecanismos e paradigmas de comunicações que explorem o espectro de

maneira mais eficaz;

As Redes Cognitivas, também denominadas Redes de Rádio Cognitivo

ou Redes sem Fio de Próxima Geração

◮ Tecnologia de rede que aumenta a eficiência da alocação espectral por

meio do acesso oportunista às faixas de frequência.

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Introdução

Relação – duração do pulso x largura de banda

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Introdução

Espectro de RF e oportunidades de uso do espectro

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Introdução

Espectro de RF e oportunidades de uso do espectro

Exemplos:

◮ Canais de guarda de TV analógica (VHF);

◮ Canais de TV UHF não alocados;

◮ Faixas ISM (Industrial, Scientific and Medical);

◮ Canais de trunking (e.g., canais de rádio de poĺıcia e bombeiros).

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Redes Cognitivas

Introdução

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

... uma rede dotada de capacidade cognitiva, que pode

perceber as condições atuais da rede e então planejar,

decidir e atuar sobre essas condições. A rede pode aprender

a partir dessas adaptações e utilizar essas informações para

tomar futuras decisões, enquanto leva em consideração os

objetivos de transmissão fim-a-fim.

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Rádio Cognitivo

Introdução

Principal tecnologia empregada em redes cognitivas: Rádios

Cognitivos (Cognitive Radios)

◮ Assim como as redes cognitivas, os rádios cognitivos fornecem a

capacidade de utilizar ou compartilhar o espectro de uma maneira

oportunista;

Rádios cognitivos

◮ Camadas física e de enlace do modelo OSI;

Redes cognitivas

◮ Todas as camadas do modelo OSI.

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Rádio Cognitivo

Introdução

Software Defined Radio (SDR);

Acesso Dinâmico ao Espectro;

Aprendizagem de Máquina.

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Introdução

Classificação do Rádio Cognitivo

Full Cognitive Radio:

◮ Joseph Mitola III, Stevens Institute of Technology, USA;

◮ Todos os possíveis parâmetros observáveis por um nó de rede sem fio

devem ser levados em consideração;

Spectrum Sensing Cognitive Radio:

◮ Somente o espectro de rádio frequência é considerado.

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Introdução

Funcionalidades do Rádio Cognitivo

1 Sensoriamento Espectral;

2 Gerenciamento Espectral;

3 Compartilhamento Espectral;

4 Mobilidade ou “Handoff” Espectral.

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Introdução

Gerenciamento espectral

Permite a caracterização de diferentes bandas de espectro que devem

ser exploradas de acordo com os requisitos apropriados dos usuários;

As bandas podem ter sua qualidade representada de acordo com

diversos parâmetros, como:

◮ Grau de interferência;

◮ Perda por propagação;

◮ Taxa de erro;

◮ Grau de atraso;

◮ Tempo esperado de duração de uma ocupação de banda;

◮ Capacidade do canal;

◮ Relação sinal-ruído.

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Introdução

Compartilhamento espectral

Tem por finalidade permitir o compartilhamento do acesso aos canais

◮ Similar aos problemas de controle de acesso ao meio (MAC);

Arquitetura:

◮ Centralizada;

◮ Distribuída;

Comportamento na alocação do espectro:

◮ Cooperativa;

◮ Não cooperativa;

Técnica de acesso ao espectro:

◮ Underlay;

◮ Overlay.

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Introdução

Compartilhamento espectral – Underlay vs. Overlay

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Mobilidade espectral

Introdução

Para utilizar o espectro de maneira dinâmica é necessário um

mecanismo que permita a mudança da frequência de operação de

maneira dinâmica;

Esta mudança deve ser suave, sem aumentar demasiadamente o

atraso na comunicação ou mesmo interrompê-la;

A mudança deve levar em consideração os requisitos de QoS;

Impacta diretamente outras camadas da arquitetura de comunicação,

como os protocolos de rede e transporte.

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Introdução

Rádio Cognitivo – implementação

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 Simulator

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

⋆ Baseado no NS-2.

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Introdução

Rádio Cognitivo – implementação

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

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Introdução

Os protocolos de comunicação em redes cognitivas

Protocolos de comunicação devem ser capazes de se adaptar à

disponibilidade de faixas de espectro;

A utilização dinâmica do espectro pode causar efeitos adversos em

seu desempenho, principalmente aos protocolos sensíveis à latência;

As redes cognitivas precisam utilizar métricas de desempenho das

condições atuais de cada camada da pilha de protocolos para

determinar a configuração ótima de operação da rede:

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

◮ Importante tópico de pesquisa da área de redes cognitivas.

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Introdução

Protocolos de comunicação de uma rede cognitiva e suas

interações

Controle da Aplicação

Aplicação

Requisitos de QoS

Atraso de Handoff,

Perdas

Transporte

Reconfiguração

Função de

Mobilidade

Espectral

Informações de

Roteamento

Atraso da

Camada de

Enlace

Compartilhamento

Espectral

Informações de

Sensoriamento

Camada de Rede

Camada de Enlace

Camada Física

Sensoriamento

Espectral

Informações de

Roteamento/

Reconfiguração

Informações de

Escalonamento/

Reconfiguração

Informações de

Sensoriamento/

Reconfiguração

Função de

Gerenciamento

Espectral

Decisões sobre Handoff, Informações Atuais e Candidatas sobre o Espectro

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Introdução

Protocolos de comunicação de uma rede cognitiva e suas

interações

Sensoriamento e compartilhamento espectral:

◮ Interagem entre si para melhorar a eficiência da alocação de faixas do

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

Gerenciamento e mobilidade espectral:

◮ Atuam sobre todas as camadas do modelo OSI, obtendo informações e

mudando suas configurações de acordo com a natureza dinâmica do

espectro.

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Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

1 Introdução

2 Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

3 Projeto da Camada Física

Sensoriamento Espectral

Arquitetura Física para o Sensoriamento Espectral

Técnicas de Sensoriamento Espectral

4 Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

5 Controle de Acesso ao Meio

6 Projeto da Camada de Rede

7 Aplicações das Redes Cognitivas

8 Considerações Finais

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Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

Arquiteturas de redes sem fio atuais são bastante heterogêneas em

termos de poĺıticas de espectro e tecnologias de comunicação;

Essa heterogeneidade impõe desafios ao projeto de protocolos para

redes cognitivas

◮ e.g. latência gerada pelo sensoriamento, indisponibilidade temporária

de enlaces de rádio, interrupção temporária das transmissões durante

handoff espectral;

Uma completa definição da arquitetura das redes cognitivas é

necessária.

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Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

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Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

Elementos básicos das redes primárias e cognitivas

Rede Primária

◮ Usuário primário ou licenciado;

◮ Estação radiobase primária;

Rede Cognitiva ou Secundária

◮ Usuário cognitivo, secundário ou não licenciado;

◮ Estação radiobase cognitiva, secundária ou não licenciada;

◮ Escalonador de espectro.

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Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

Funcionalidades das Redes Cognitivas

As redes cognitivas podem operar tanto em faixas licenciadas quanto

não licenciadas;

Consequentemente, as funcionalidades requeridas pelas redes

cognitivas variam de acordo com o tipo de faixa acessada.

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Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

Operação de Rede Cognitiva em Faixa Licenciada

Desafios para operação em faixas licenciadas derivam da existência de

usuários primários nessas faixas

◮ As redes cognitivas são capazes de detectar usuários primários;

◮ Capacidade de transmissão dos canais vagos do espectro depende da

interferência dos usuários primários próximos;

◮ Evitar interferência com os usuários primários é um dos aspectos mais

importantes da arquitetura das redes cognitivas;

◮ Se um usuário primário começar a utilizar uma faixa do espectro

alocada por um usuário cognitivo, este deve imediatamente desocupar

a faixa atual e migrar para outra faixa disponível.

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Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

Operação de Rede Cognitiva em Faixa Não Licenciada

Abertura da banda ISM permitiu o desenvolvimento de uma variedade

de importantes tecnologias e aplicações inovadoras;

Aumento da utilização da banda ISM por tecnologias de rede

heterogêneas tem reduzido a disponibilidade espectral nesta faixa;

As redes cognitivas podem ser projetadas para operação em faixas

não licenciadas, melhorando a eficiência nessa faixa do espectro.

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Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

Operação de Rede Cognitiva em Faixa Não Licenciada

Dado que não existem proprietários de licenças, todos os nós da rede

têm os mesmos direitos de acesso a essas faixas

◮ Múltiplas redes cognitivas podem coexistir na mesma área e

compartilhar as mesmas faixas do espectro;

◮ Algoritmos de compartilhamento inteligente do espectro podem

melhorar a eficiência no uso do espectro e fornecer uma alta qualidade

de serviço;

Um handoff espectral não é provocado pelo aparecimento de outros

usuários primários

◮ Os usuários devem competir entre si pelas mesmas faixas não

licenciadas;

◮ Métodos de compartilhamento do espectro devem ser empregados

pelos usuários cognitivos.

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Projeto da Camada Física

1 Introdução

2 Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

3 Projeto da Camada Física

Sensoriamento Espectral

Arquitetura Física para o Sensoriamento Espectral

Técnicas de Sensoriamento Espectral

4 Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

5 Controle de Acesso ao Meio

6 Projeto da Camada de Rede

7 Aplicações das Redes Cognitivas

8 Considerações Finais

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Projeto da Camada Física

Projeto da Camada Física

Os avanços na tecnologia de rádio têm permitido o desenvolvimento

de técnicas de acesso dinâmico ao espectro eletromagnético e de

configuração adaptativa dos enlaces e protocolos de comunicação

◮ Permite às aplicações se beneficiarem de canais de comunicação com

melhor desempenho e menor interferência;

Os rádios cognitivos representam um novo paradigma para as

comunicações sem fio

◮ Os nós da rede são dotados da capacidade de modificar seus

parâmetros de transmissão e recepção, provendo comunicação eficiente.

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Projeto da Camada Física

Conceito de espaços em branco ou lacunas espectrais

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Projeto da Camada Física

Projeto da Camada Física

Os rádios cognitivos devem ter conhecimento da diversidade de

oportunidades de uso do espectro para selecionar o melhor canal

disponível;

Assim, é necessário identificar, com confiabilidade, espaços em branco

no espectro, em termos de frequência, tempo e espaço

◮ Entre as principais abordagens empregadas com essa finalidade

merecem destaque:

⋆ Registro em banco de dados;

⋆ Sinalizadores regionais;

⋆ Sensoriamento espectral.

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Projeto da Camada Física

Métodos de identificação de espaços em branco

Tabela: Classificação dos métodos de identificação de espaços em branco.

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Projeto da Camada Física

Sensoriamento Espectral

1 Introdução

2 Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

3 Projeto da Camada Física

Sensoriamento Espectral

Arquitetura Física para o Sensoriamento Espectral

Técnicas de Sensoriamento Espectral

4 Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

5 Controle de Acesso ao Meio

6 Projeto da Camada de Rede

7 Aplicações das Redes Cognitivas

8 Considerações Finais

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Projeto da Camada Física

Sensoriamento Espectral

Sensoriamento Espectral

Modificação dos parâmetros de transmissão é baseada no

monitoramento ativo de diversos fatores externos e internos ao

ambiente de rádio

◮ e.g. ocupação do espectro de RF, comportamento do usuário e estado

da rede;

◮ Esses e outros parâmetros compõem o conhecimento contextual do

ambiente de rádio;

Para manter sua ciência sobre a ocupação do espectro de RF, os

rádios cognitivos necessitam verificar frequentemente os canais

disponíveis em um amplo espectro

◮ Esse processo nem sempre resulta em estimativas confiáveis;

◮ Erros nas estimações espectrais podem levar à ocorrência de

interferências entre as transmissões;

◮ Durante o sensoriamento espectral, a transmissão de dados pelas

aplicações não é possível.

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Projeto da Camada Física

Sensoriamento Espectral

Funcionalidades das camadas relacionadas ao

sensoriamento espectral

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Projeto da Camada Física

Sensoriamento Espectral

Sensoriamento Espectral

Rádios cognitivos são considerados usuários de menor prioridade do

espectro licenciado

Um requisito fundamental é evitar interferências com potenciais

usuários primários em sua vizinhança;

Sistemas primários não precisam modificar sua infraestrutura para o

compartilhamento do espectro com redes cognitivas

◮ Os rádios cognitivos devem ser capazes de detectar a presença de

usuários primários por meio de um processo contínuo de sensoriamento.

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Projeto da Camada Física

Sensoriamento Espectral

Sensoriamento Espectral

Os rádios cognitivos devem detectar sinais primários com níveis muito

baixos de potência;

◮ O rádio cognitivo baseia sua decisão na medição local dos sinais

emitidos pelo transmissor primário;

O sensoriamento espectral local pode sofrer com o problema de

ocultação de terminais

◮ Incerteza sobre receptor

⋆ Baixa potência do sinal, confusão com ruído, interferência,

multipercurso;

◮ Incerteza por sombreamento.

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Projeto da Camada Física

Problemas de detecção

Sensoriamento Espectral

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

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Projeto da Camada Física

Arquitetura Física para o Sensoriamento Espectral

1 Introdução

2 Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

3 Projeto da Camada Física

Sensoriamento Espectral

Arquitetura Física para o Sensoriamento Espectral

Técnicas de Sensoriamento Espectral

4 Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

5 Controle de Acesso ao Meio

6 Projeto da Camada de Rede

7 Aplicações das Redes Cognitivas

8 Considerações Finais

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Projeto da Camada Física

Arquitetura Física para o Sensoriamento Espectral

Arquitetura Física para o Sensoriamento Espectral

Rádio:

◮ Equipamento para transmissão e/ou recepção de sinais por meio de

ondas eletromagnéticas;

◮ e.g. rádios AM e FM, telefones celulares, televisão, redes sem fio;

Rádio Cognitivo deve ter a capacidade de modificar dinamicamente

seus parâmetros de operação:

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

Os SDRs são sistemas de comunicação de rádio em que diversos

componentes tipicamente implementados em hardware são

implementados em software.

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Projeto da Camada Física

Arquitetura física geral dos SDRs

Arquitetura Física para o Sensoriamento Espectral

Recepção

Transmissão

Rádio

Frequência

(RF)

Front−endde Rádio

Conversão

Analógico−Digital

(A/D)

Unidade de

Processamento

em Banda

Básica

Unidade de

Processamento de

Dados

Do Usuário Ao Usuário

Controle

(Parametrização)

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Projeto da Camada Física

Técnicas de Sensoriamento Espectral

1 Introdução

2 Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

3 Projeto da Camada Física

Sensoriamento Espectral

Arquitetura Física para o Sensoriamento Espectral

Técnicas de Sensoriamento Espectral

4 Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

5 Controle de Acesso ao Meio

6 Projeto da Camada de Rede

7 Aplicações das Redes Cognitivas

8 Considerações Finais

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Projeto da Camada Física

Técnicas de Sensoriamento Espectral

Técnicas de Sensoriamento Espectral

O rádio cognitivo deve distinguir faixas do espectro livres e ocupadas

◮ Para tanto, ele deve ter a capacidade de determinar se o sinal de um

transmissor primário está presente em uma certa faixa do espectro;

Quando sinais primários não são detectados o rádio cognitivo passa a

utilizar o canal de forma oportunista

◮ Ao alocar uma faixa do espectro um rádio cognitivo deve continuar o

monitoramento do canal;

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

Hipótese binária sobre a ocupação do canal:

{ }

n(t) H0 , – canal vago

r(t) =

h.s(t) + n(t) H 1 – canal ocupado

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Projeto da Camada Física

Técnicas de Sensoriamento Espectral

Técnicas de Sensoriamento Espectral

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Projeto da Camada Física

Técnicas de Sensoriamento Espectral

Modelo de detecção baseada em interferência

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Detecção cooperativa

Projeto da Camada Física

Técnicas de Sensoriamento Espectral

“O aumento na diversidade alcançado por meio do

sensoriamento espectral cooperativo melhora a sensibilidade do

processo de detecção como um todo, sem impor grandes

requisitos de sensibilidade aos rádios cognitivos individualmente”.

Ghasemi, 2008

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Detecção cooperativa

Projeto da Camada Física

Técnicas de Sensoriamento Espectral

Figura: Sensibilidade (SNR mínimo detectável) requerido pelos rádios cognitivos

individuais para alcançar uma sensibilidade de detecção geral de -20 dB sob

desvanecimento Rayleigh versus o número de usuários cooperativos.

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Projeto da Camada Física

Técnicas de Sensoriamento Espectral

Detecção baseada no transmissor

Forma mais simples de sensoriamento espectral;

Quando não são detectados sinais primários em uma determinada

banda, o rádio cognitivo passa a utilizar o canal de forma oportunista;

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

Principais técnicas:

◮ Filtro casado;

◮ Detecção de energia;

◮ Detecção de características.

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Projeto da Camada Física

Detecção com filtro casado

Técnicas de Sensoriamento Espectral

Adequada quando as informações do sinal primário são conhecidas a

priori pelo usuário secundário

◮ e.g. forma de pulso, frequência da portadora, tipo de modulação,

formato do quadro;

Nesse caso, o detector ótimo para canais AWGN será um filtro casado

seguido por um teste de limiar.

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Projeto da Camada Física

Técnicas de Sensoriamento Espectral

Detecção com filtro casado – Desvantagens

Requer que o sinal primário seja demodulado pela unidade de

sensoriamento

◮ Isso requer que os usuários secundários implementem técnicas de

sincronização de tempo e frequência com o sinal primário;

Aumento na complexidade da unidade de sensoriamento, pois deve

conhecer todos os possíveis sinais primários;

Maior consumo de energia pois executa vários algoritmos para

detecção.

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Detecção de energia

Projeto da Camada Física

Técnicas de Sensoriamento Espectral

Às vezes não se tem acesso às informações dos sinais dos usuários

primários

◮ Nesse caso, a alternativa mais simples de detecção de um sinal primário

com ruído é realizar a detecção de energia;

Em baixos níveis de SNR, quando comparado à utilização de filtros

casados, a detecção de energia requer um maior tempo de

sensoriamento para atingir um bom desempenho

◮ Baixo custo de implementação e simplicidade tornam essa abordagem

favorável para o sensoriamento espectral;

Mede a energia recebida em uma faixa durante um intervalo de

observação e a declara uma lacuna de espectro se a energia medida

for menor que um limiar estabelecido.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 56 / 124


Detecção de energia

Projeto da Camada Física

Técnicas de Sensoriamento Espectral

r(t)

Filtro

∫ T

Passa− (.) 2 dt

Decide por H 0 ou H 1

Baixa 0

Comparador de

Limiar

Figura: Diagrama de blocos de um detector de energia.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 57 / 124


Projeto da Camada Física

Detecção de características

Técnicas de Sensoriamento Espectral

A principal desvantagem do detector de energia é a sua falta de

habilidade em diferenciar fontes de energia (e.g., um usuário primário

e o ruído)

◮ Isso o faz suscetível às incertezas sobre a potência do ruído de fundo,

especialmente com baixa relação sinal-ruído;

Se algumas características do sinal primário são conhecidas, então

detectores de características podem ser empregados;

É possível verificar a existência de um dado sinal capturando

assinaturas específicas do sinal

◮ e.g., frequência da portadora, tipo de modulação, sinais piloto,

preâmbulos, campos de sincronização, cicloestacionaridade;

Exemplo: detecção de características cicloestacionárias.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 58 / 124


Projeto da Camada Física

Técnicas de Sensoriamento Espectral

Detecção de características cicloestacionárias

Esses detectores se baseiam no fato de que, contrariamente ao ruído

estacionário, a maioria dos sinais de comunicação são

cicloestacionários

◮ Exibem correlação espectral devido à sua periodicidade, como

frequência da portadora, taxa de bits e prefixos cíclicos;

Análises comuns de sinais aleatórios estacionários são baseadas nas

funções de autocorrelação e densidade espectral de potência;

Por outro lado, sinais cicloestacionários exibem correlação entre

componentes largamente espaçadas.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 59 / 124


Projeto da Camada Física

Técnicas de Sensoriamento Espectral

Detecção de características cicloestacionárias

A partir da função de correlação espectral (SCF) é possível realizar

análises do comportamento espectral de um sinal cicloestacionário

x(t)

A/D

Transformada

de Fourier

Correlacionar

X(f+a)X*(f−a)

Média

durante T

Detecção de

Característica

Figura: Diagrama de blocos de um detector de características cicloestacionárias.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 60 / 124


Projeto da Camada Física

Técnicas de Sensoriamento Espectral

Detecção de características cicloestacionárias

Figura: Função de correlação espectral do sinal 4-FSK.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 61 / 124


Projeto da Camada Física

Comparação entre as técnicas

Técnicas de Sensoriamento Espectral

Técnicas de

Sensoriamento Vantagens Desvantagens

Filtro Casado • Desempenho Ótimo • Dependente do sinal

• Alto consumo de energia

Detecção de

Energia

• Baixa Complexidade

• Independe do Sinal Primário

• Suscetível à Incerteza do Ruído

• Suscetível à Interferência

Detecção de

Características

• Robusto contra Incerteza do Ruído

• Robusto contra Interferência

• Computacionalmente Complexo

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 62 / 124


Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

1 Introdução

2 Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

3 Projeto da Camada Física

Sensoriamento Espectral

Arquitetura Física para o Sensoriamento Espectral

Técnicas de Sensoriamento Espectral

4 Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

5 Controle de Acesso ao Meio

6 Projeto da Camada de Rede

7 Aplicações das Redes Cognitivas

8 Considerações Finais

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 63 / 124


Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

O padrão IEEE 802.22

Primeiro padrão a contemplar a utilização da tecnologia de rádio

cognitivo;

Ele foi proposto em 2004 no contexto do grupo de trabalho 802.22

relativo à redes sem fio regionais (WRAN);

Propõe o uso não licenciado de faixas de TV para comunicações sem

fio. Nessa faixas três tipos de sinais devem ser detectados:

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

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

◮ Microfones sem fio.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 64 / 124


Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

Densidade espectral de potência de um sinal NTSC

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 65 / 124


Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

Densidade espectral de potência de um sinal ATSC

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 66 / 124


Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

Densidade espectral de potência de um sinal de microfone

sem fio

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 67 / 124


Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

O padrão IEEE 802.22

Rede sem fio infraestruturada onde uma estação radiobase coordena o

acesso de diversos nós em uma célula de um único salto de

comunicação

◮ Essa célula cobre uma área com o raio que varia entre 33 km (típico) a

100 km;

◮ Os usuários em uma célula 802.22 são chamados de Consumer Premise

Equipments (CPEs);

Os equipamentos WRAN apresentam uma potência de transmissão

muito superior a dos demais sistemas IEEE 802

◮ A potência dos CPEs podem alcançar até 4 W, enquanto que as

estações base atingem o máximo de 100 W;

◮ Além disso, as faixas de TV apresentam boas características de

propagação, permitindo que a área de cobertura atinja até 100 km.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 68 / 124


Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

Exemplo de uma célula IEEE 802.22

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 69 / 124


Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

Modelo de sensoriamento do canal no padrão IEEE 802.22

No padrão IEEE 802.22 o canal pode ser modelado como uma fonte

LIGADA / DESLIGADA (ON/OFF)

Um período ON representa o tempo de duração em que os usuários

primários estão utilizando ativamente seus respectivos canais;

Os usuários secundários somente têm permissão para utilizar o canal

nos períodos OFF dos usuários primários

Um padrão de uso de canal por transmissores de TV usualmente

apresentam períodos muitos longos de ON e OFF (da ordem de horas).

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 70 / 124


Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

Modelo de sensoriamento do canal no padrão IEEE 802.22

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 71 / 124


Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

Modelo de sensoriamento do canal no padrão IEEE 802.22

Por meio do sensoriamento espectral o rádio cognitivo verifica o

estado do canal durante o tempo de sensoriamento (T S –

sensing-time)

◮ O valor de TS pode variar de acordo com o método de detecção

utilizado (e.g., menos de 1 ms para detecção de energia);

O período de sensoriamento (T P – sensing-period) é o intervalo de

tempo entre a realização de dois sensoriamentos

◮ Pode ser utilizado para obter a frequência de sensoriamento (1/TP –

sensing-frequency).

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 72 / 124


Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

Modelo de sensoriamento do canal no padrão IEEE 802.22

No padrão 802.22, o sensoriamento pode ser realizado durante os

períodos de silêncio (i.e., enquanto as comunicações entre os usuários

secundários estão suspensas)

◮ Nos períodos de silêncio, nenhum CPE tem permissão para transmitir

dados;

Caso seja realizado um sensoriamento colaborativo, os períodos de

silêncio passam a ser sincronizados entre os diversos sensores de uma

mesma célula, bem como entre células vizinhas

◮ É utilizado um protocolo de sinalização de coexistência (CBP –

Coexistence Beacon Protocol).

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 73 / 124


Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

Requisitos de sensoriamento espectral do padrão IEEE

802.22

Parâmetro

Tempo de detecção do canal

Tempo de mudança do canal

Tempo de encerramento da transmissão no canal

Valor de detecção

≤ 2 seg

2 seg

100 mseg

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 74 / 124


Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

Requisitos de sensoriamento espectral do padrão IEEE

802.22

Tabela: Limiar de detecção dos sinais primários.

Tipo de sinal

TV analógica (NTSC)

TV digital (ATSC)

Microfones sem fio

Limiar de detecção

-94 dBm (no pico de sincronização da portadora de imagem do

NTSC)

-116 dBm (largura de banda de 6 MHz)

-107 dBm (largura de banda de 200 kHz)

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 75 / 124


Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

O mecanismo TSS do IEEE 802.22

O IEEE 802.22 provê um mecanismo de sensoriamento em dois

estágios (TSS – two-stage sensing)

◮ O algoritmo de sensoriamento pode escalonar um sensoriamento rápido

ou fino a cada período de silêncio (QP – quiet period);

⋆ O sensoriamento rápido emprega detecção de energia enquanto o

sensoriamento fino utiliza detecção de características;

Embora um algoritmo de sensoriamento possa escalonar quantos QPs

forem necessários, existem restrições sobre o período de

sensoriamento

◮ O QP de um sensoriamento rápido, usualmente menor que 1 ms, pode

ser escalonado no fim de um quadro MAC 802.22 (de duração de

10 ms) no máximo uma vez a cada quadro;

◮ A duração do QP de um sensoriamento fino varia de acordo com o

esquema de detecção de característica utilizado.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 76 / 124


Controle de Acesso ao Meio

1 Introdução

2 Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

3 Projeto da Camada Física

Sensoriamento Espectral

Arquitetura Física para o Sensoriamento Espectral

Técnicas de Sensoriamento Espectral

4 Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

5 Controle de Acesso ao Meio

6 Projeto da Camada de Rede

7 Aplicações das Redes Cognitivas

8 Considerações Finais

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 77 / 124


Controle de Acesso ao Meio

Controle de Acesso ao Meio

Medium Access Control (MAC)

MAC em Redes Cognitivas;

Identificar os recursos espectrais disponíveis

◮ Técnicas de sensoriamento;

◮ Decisão dos períodos ótimos para a transmissão;

◮ Coordenação do acesso espectral.

MAC em Redes Infraestruturadas e Ad hoc

◮ Acessos: Aleatório, Agendado e Híbrido.

Gerenciamento Espectral.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 78 / 124


Controle de Acesso ao Meio

Gerenciamento Espectral em Redes Cognitivas

As faixas espectrais ociosas possuem diferentes características;

Gerenciamento espectral:

◮ Evitar a interferência com usuários primários;

◮ Atender os requisitos de QoS;

Sensoriamento Espectral;

Análise Espectral;

Decisão Espectral;

Camadas da pilha de protocolos.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 79 / 124


Análise Espectral

Controle de Acesso ao Meio

Caracterização das faixas ociosas detectadas;

Qualidade da faixa espectral:

◮ Nível de interferência;

◮ Taxa de erro do canal;

◮ Atenuação por percurso;

◮ Tempo de espera.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 80 / 124


Decisão Espectral

Controle de Acesso ao Meio

Gerenciamento espectral e requisitos de QoS;

Resultados da Análise Espectral −→ Decisão Espectral:

◮ Taxa de transmissão de dados;

◮ Taxa aceitável de erros;

◮ Limitante de atraso;

◮ Modo de transmissão;

◮ Largura de banda.

Conjunto de faixas apropriadas.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 81 / 124


O Ciclo Cognitivo

Controle de Acesso ao Meio

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 82 / 124


Controle de Acesso ao Meio

Controle de Acesso ao Meio

Decisão Espectral MAC;

Duas propostas distintas:

Redes Infraestruturadas – estação radiobase gerencia a alocação

espectral e compartilha essa informação com os usuários secundários;

Redes Ad hoc – protocolos distribuídos, que operam sem o suporte de

uma entidade de controle centralizada;

Classificação em relação ao tipo de acesso:

◮ Acesso Aleatório;

◮ Acesso Agendado;

◮ Acesso Híbrido.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 83 / 124


Controle de Acesso ao Meio

Protocolos de Acesso Aleatório

Não necessitam de sincronização temporal;

Detecção de Portadora de Múltiplo Acesso com Prevenção de Colisão;

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

◮ O usuário secundário monitora as faixas espectrais;

◮ Detecta quando não há transmissões provenientes de outros usuários

secundários;

◮ Transmite após um determinado intervalo, para prevenir transmissões

simultâneas.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 84 / 124


Controle de Acesso ao Meio

Acesso Aleatório em Redes Cognitivas Infraestruturadas

S.-Y. Lien et al. Carrier sensing based multiple access protocols for cognitive

radio networks (ICC 2008, Beijing, China);

Coexistência entre usuários cognitivos e primários;

Adaptação da potência e taxa de transmissão da rede cognitiva;

Separação entre ERBs cognitivas e primárias −→ evitar sobreposição das

áreas de cobertura;

Saltos únicos entre ERBs e usuários cognitivos;

O protocolo permite transmissões simultâneas dos usuários cognitivos

mesmo quando os usuários primários são detectados, pois a interferência

causada a eles está contida em um limiar pré-definido.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 85 / 124


Controle de Acesso ao Meio

Acesso Aleatório em Redes Cognitivas Infraestruturadas

Rede primária −→ CSMA, com período τ p ;

Requisição de envio (RTS) – Confirmação de envio (CTS);

τ s >> τ p −→ Prioridade para o usuário primário;

distancia(usuario.secundario,ERB) e Potência do ruído

◮ Decide a potência e taxa de transmissão.

Apenas um pacote transmitido por rodada.

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Controle de Acesso ao Meio

CSMA com quatro opções de handshaking

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Controle de Acesso ao Meio

Acesso Aleatório em Redes Cognitivas Ad hoc

J. Jia et al. HC-MAC: A hardware-constrained cognitive MAC for efficient

spectrum management (IEEE JSAC, 2008);

Restrições de hardware

◮ Restrições de sensoriamento – relação de compromisso entre duração

do sensoriamento e a precisão resultante;

◮ Restrições de transmissão – limitações impostas pelo OFDM, que

decide o intervalo da largura de banda e o número máximo permitido

de subportadoras;

◮ Limites de agregação espectral.

Principais contribuições do HC-MAC:

◮ Decisão do sensoriamento;

◮ Operação do protocolo de acesso ao meio.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 88 / 124


O Protocolo HC-MAC

Controle de Acesso ao Meio

Decisão do sensoriamento;

◮ Critério de parada para o sensoriamento de canais;

◮ Relação com a máxima largura de banda que pode ser acessada;

◮ Número máximo de subportadoras.

Operação do protocolo de acesso ao meio:

◮ C-RTS/C-CTS – contention;

◮ S-RTS/S-CTS – sensing;

◮ T-RTS/T-CTS – transmission.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 89 / 124


Controle de Acesso ao Meio

Controle de Acesso para Dois Enlaces no HC-MAC

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Controle de Acesso ao Meio

Protocolos de Acesso Agendado

Necessitam de sincronização da rede;

O intervalo de transmissão é dividido em períodos;

Canal de controle;

Transmissão de dados.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 91 / 124


Controle de Acesso ao Meio

Acesso Agendado em Redes Cognitivas Infraestruturadas

C. Cordeiro et al. Cognitive PHY and MAC layers for dynamic spectrum

access and sharing of TV bands (ACM TAPAS 2006);

Compartilhamento espectral em faixas de TV;

Características do padrão IEEE 802.22;

Enlace de Descida (DS – downstream);

Enlace de Subida (US – upstream);

Hierarquia de superframes.

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Controle de Acesso ao Meio

Estrutura do Superframe

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 93 / 124


Controle de Acesso ao Meio

Acesso Agendado em Redes Cognitivas Ad hoc

C. Cordeiro et al. C-MAC: A cognitive MAC protocol for multichannel

wireless networks (IEEE DySPAN 2007);

Cognitive MAC (C-MAC);

Considerável vazão de dados (throughput);

Robustez à mudanças espectrais (múltiplos transceptores);

Canal Rendezvous (RC – Rendezvous Channel);

◮ Coordenação de nós;

◮ Detecção de usuários primários;

◮ Alocação de recursos do canal.

Canal de Apoio (BC – Backup Channel);

◮ Prover escolha imediata de faixas espectrais;

◮ Alternativa ao surgimento de usuários primários;

◮ Alocação de recursos do canal.

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Operação do C-MAC

Controle de Acesso ao Meio

Superframes

◮ Período de Sinalização (BP – Beacon Period);

◮ Período de Transferência de Dados (DTP – Data Transfer Period);

◮ Alocação de recursos do canal.

Sinalização distribuída;

Coordenação entre canais;

Coexistência;

Equiĺıbrio de carga.

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Operação do C-MAC

Controle de Acesso ao Meio

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Controle de Acesso ao Meio

Desafios Relativos ao Controle de Acesso ao Meio

Projeto do canal de controle:

◮ O acesso ao espectro envolve a sinalização de controle entre os dois

usuários secundários em ambas extremidades do enlace;

◮ Essa sinalização deve ser ininterrupta pela atividade da vizinhança de

usuários primários, uma vez que é usada para a troca de informações

sensoriadas e coordenação do acesso ao canal;

◮ Canais de controle com troca dinâmica e confiável precisam ser

projetados.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 97 / 124


Controle de Acesso ao Meio

Desafios Relativos ao Controle de Acesso ao Meio

Adaptação à transmissão do usuário primário:

◮ Alguns usuários primários possuem padrões de transmissão específicos,

tais como estações de difusão de televisão, ou podem apresentar

acessos aleatórios ocasionais ao canal, tais como agências de serviços

públicos;

◮ Nesses intervalos de tempo, o protocolo MAC cognitivo deve inferir a

natureza dos usuários primários e adaptar as transmissões para evitar

interferências próprias e prevenir conflitos com usuários primários;

◮ Por essa razão, o controle de potência dinâmico e esquemas de

agendamento de transmissão também precisam ser projetados.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 98 / 124


Projeto da Camada de Rede

1 Introdução

2 Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

3 Projeto da Camada Física

Sensoriamento Espectral

Arquitetura Física para o Sensoriamento Espectral

Técnicas de Sensoriamento Espectral

4 Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

5 Controle de Acesso ao Meio

6 Projeto da Camada de Rede

7 Aplicações das Redes Cognitivas

8 Considerações Finais

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 99 / 124


Projeto da Camada de Rede

Projeto da Camada de Rede

Controle de fluxo;

Gerenciamento de recursos de rádio;

Gerenciamento da mobilidade da rede;

◮ Seleção espectral e roteamento conjuntos;

◮ Processos cognitivos e protocolos de roteamento.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 100 / 124


Projeto da Camada de Rede

Seleção Espectral e Roteamento Conjuntos

Hicham Khalife et al. Joint Routing and Spectrum Selection for Multihop

Cognitive Radio Networks (University of Arizona, 2008);

O roteamento em Redes Cognitivas deve considerar a presença de múltiplos

canais para transmissões paralelas?

A seleção de canais e o gerenciamento espectral deve ser apenas tratado na

camada MAC?

Protocolo reativo baseado em roteamento pela fonte;

Canal de Controle Comum −→ baixa frequência;

Algoritmo simplificado:

◮ Cálculo de pesos baseados na interferência de usuários primários;

◮ Identificação da rota mais provável;

◮ Incremento da capacidade média da rota.

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Projeto da Camada de Rede

Múltiplas Faixas de Frequência entre Nós

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 102 / 124


Projeto da Camada de Rede

Inteligência Artificial e Colônias de Formigas

X. Jing et al. Artificial cognitive BP-CT ant routing algorithm (IEEE IJCNN

2005.);

Algoritmo de aprendizagem por reforço;

Redes Neurais Artificiais (RNAs);

Conjunto de agentes −→ colônias artificiais;

◮ Pacotes de verificação coletam informações sobre o atraso fim a fim;

◮ Propagam reversamente para atualizar os roteadores intermediários.

Desempenho satisfatório do roteamento;

Vazão de dados e redução do atraso fim a fim.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 103 / 124


Algoritmo BP-CT

Projeto da Camada de Rede

Uma RNA por roteador;

Entradas:

◮ Probabilidade de selecionar cada possível salto;

◮ Tempo médio de viagem;

Saídas:

Novos valores de probabilidade;

◮ Períodos estimados de viagem para os próximos saltos;

Formigas de encaminhamento selecionam os próximos saltos utilizando a

RNA;

Viagem no sentido inverso;

◮ Atualização dos pesos da RNA e a tabela de roteamento;

◮ Tempo de viagem medido;

◮ Modifica a RNA e as escolhas das próximas formigas.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 104 / 124


Projeto da Camada de Rede

Roteamento Cognitivo

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

Capacidade de aprendizagem de um nó;

−→ pacote de transmissão (pacote cognitivo);

◮ ID: identificar o pacote e sua classe de serviço;

◮ DATA: dados do usuário;

◮ CM – Cognitive Map: o campo do mapa cognitivo;

◮ O campo do código executável.

O CM contém um mapa da rede −→ uma estimação do estado da rede

baseado em informações prévias coletadas pelo pacote;

O código executável usa o campo CM como uma entrada ao algoritmo de

aprendizagem;

Capacidade de armazenamento na forma de caixas de correspondência;

Os nós processam os códigos executáveis contidos em cada pacote.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 105 / 124


Projeto da Camada de Rede

Roteamento Cognitivo

Sempre que um pacote cognitivo for recebido por um nó, este executa o

código armazenado no campo de código executável do pacote;

A entrada do código consiste do mapa cognitivo armazenado no próprio nó e

do conteúdo da caixa de correspondência do nó;

Possíveis resultados da execução do código:

◮ O mapa cognitivo do pacote é atualizado;

◮ A caixa de correspondência do nó é escrita;

◮ O pacote é enviado por um enlace de saída;

◮ O pacote é mantido em um armazenador (buffer) aguardando que uma

determinada condição seja observada.

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Projeto da Camada de Rede

Desafios Relativos ao Projeto da Camada de Rede

Disponibilidade de enlace;

Enlaces unidirecionais.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 107 / 124


Projeto da Camada de Rede

Desafios Relativos ao Projeto da Camada de Rede

Re-roteamento;

Gerenciamento de filas.

(SBRC 2010) Minicurso 4: Redes Cognitivas 28 de maio de 2010 108 / 124


Aplicações das Redes Cognitivas

1 Introdução

2 Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

3 Projeto da Camada Física

Sensoriamento Espectral

Arquitetura Física para o Sensoriamento Espectral

Técnicas de Sensoriamento Espectral

4 Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

5 Controle de Acesso ao Meio

6 Projeto da Camada de Rede

7 Aplicações das Redes Cognitivas

8 Considerações Finais

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Aplicações das Redes Cognitivas

Aplicações de Redes Cognitivas

Redes Alugadas – Permissão do acesso oportunista do espectro licenciado,

por meio do acordo com a rede secundária em não prejudicar os parâmetros

de qualidade de serviço dos usuários primários;

◮ Aluguel do acesso espectral para um número limitado de operadoras;

◮ Aluguel para uma comunidade regional −→ acesso sem fio em banda

larga.

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Aplicações das Redes Cognitivas

Aplicações de Redes Cognitivas

Redes Mesh Cognitivas

◮ Aumento da densidade da rede;

◮ Aplicações demandam maior vazão de dados;

Redes Mesh necessitam de um aumento em sua capacidade;

◮ Pontos de Acesso cognitivos e nós relay cognitivos.

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Aplicações das Redes Cognitivas

Aplicações de Redes Cognitivas

Redes de Emergência – As redes cognitivas também podem ser

implementadas para o auxílio na operação de redes de emergência;

◮ Desastres naturais −→ inviabilizar a infraestrutura existente de

comunicações;

◮ Formação de Redes de Emergência;

◮ Informações críticas −→ uma comunicação segura precisa ser garantida

com a mínima latência de transmissão.

◮ Disponibilidade significante de espectro de rádio para a manipulação de

grandes volumes de tráfego de dados, incluindo voz, vídeo e dados.

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Aplicações das Redes Cognitivas

Aplicações de Redes Cognitivas

Redes Militares – Dispositivos militares de comunicação:

◮ Escolher faixas de frequência intermediária;

◮ Esquemas de modulação e de codificação adaptáveis às variações do

ambiente de rádio em campos de batalha.

◮ Demanda por recursos de segurança e proteção das transmissões em

ambientes hostis.

◮ As redes cognitivas permitem às equipes militares realizarem o handoff

espectral e identificar faixas espectrais seguras, livres de interceptação

por tropas inimigas.

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Aplicações das Redes Cognitivas

Aplicações de Redes Cognitivas

Serviços – O ramo de serviços possui diversas oportunidades para o uso de

redes cognitivas;

Exemplo: Melhoria dos serviços de comunicação de um hotel (conferência);

Padrão IEEE 802.11, em que o custo para utilização da rede sem fio está

inclusa no preço dos serviços da conferência e serviços de quarto;

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

Sem restrições de utilização, qualquer pessoa com um dispositivo compatível

com o padrão IEEE 802.11 possui o mesmo potencial para acessar a Internet.

Períodos de alta demanda, todos os usuários podem experimentar serviços

lentos e interrupções, o que leva à insatisfação dos usuários.

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Aplicações das Redes Cognitivas

Aplicações de Redes Cognitivas

Uma solução seria restringir o acesso à rede e cobrar uma taxa.

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

◮ Taxas pagas pela organização da conferência, cujo o custo é repassado

aos inscritos no pacote de inscrição;

◮ Hóspedes instalados em quartos com desconto deveriam pagar taxas

maiores;

◮ Hóspedes instalados em quartos premium teriam direito a acessar a

rede livremente, sem pagar taxas por isso.

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Aplicações das Redes Cognitivas

Aplicações de Redes Cognitivas

Sem um sistema de priorização de usuários, os problemas de qualidade de

serviço persistirão.

Os participantes da conferência ficarão frustrados caso um palestrante tente

conduzir uma demonstração em tempo real, usando a Internet, e

experimente uma degradação na qualidade de seu acesso à rede.

Para proporcionar a satisfação com a qualidade dos serviços oferecidos, o

hotel precisa disponibilizar uma alternativa em que o palestrante tenha

acesso aos recursos que são necessários para conduzir uma apresentação

suave e contínua.

Uma outra solução seria o estabelecimento de duas redes, uma das quais,

restrita a um número reduzido de apresentadores e usuários prioritários.

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Aplicações das Redes Cognitivas

Aplicações de Redes Cognitivas

As redes cognitivas representam uma solução eficaz para o problema, mesmo

no caso em que o serviço de acesso à Internet é disponibilizado usando uma

única frequência de rádio.

Cada usuário poderia ser vinculado a um nível de prioridade de uso dos

serviços, baseado nas metas de serviço do hotel.

Nesse caso, o rádio cognitivo otimizaria o acesso à rede, de modo que

usuários com um nível de prioridade mais alta tivessem preferência no acesso

em relação aos usuários com um nível de prioridade mais baixa.

Uma prioridade mais alta poderia ser atribuída a um número limitado de

palestrantes da conferência para garantir que suas apresentações ocorressem

de forma contínua.

Por outro lado, os hóspedes que não estão registrados na conferência

possuiriam um acesso razoável no andar de seus quartos, mas apenas às

lacunas do espectro nas áreas da conferência.

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Considerações Finais

1 Introdução

2 Arquitetura Geral das Redes Cognitivas

3 Projeto da Camada Física

Sensoriamento Espectral

Arquitetura Física para o Sensoriamento Espectral

Técnicas de Sensoriamento Espectral

4 Estudo de caso: o padrão IEEE 802.22

5 Controle de Acesso ao Meio

6 Projeto da Camada de Rede

7 Aplicações das Redes Cognitivas

8 Considerações Finais

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Considerações Finais

Considerações Finais

Redes Cognitivas −→ solucionar problemas:

◮ Limitada disponibilidade espectral;

◮ Ineficiência na utilização espectral;

Sensoriamento Espectral;

◮ Técnicas de Processamento Digital de Sinais;

Estratégias cooperativas para o gerenciamento espectral;

Integração das capacidades cognitivas em camadas superiores da pilha de

protocolos;

Necessidade de regulamentação para as redes cognitivas.

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

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Considerações Finais

Pesquisas desenvolvidas no Iecom

Redes Cognitivas Multimídia: FAST – Fuzzy Spatial Video Transcoding

System

SimulSense – Software Simulation Framework for Spectrum Sensing.

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Considerações Finais

Pesquisas desenvolvidas no Iecom – SimulSense

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Considerações Finais

Pesquisas desenvolvidas no Iecom – SimulSense

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Agradecimentos

Considerações Finais

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Contato

Considerações Finais

Marcelo Portela Sousa (marcelo.portela@ee.ufcg.edu.br)

Rafael Fernandes Lopes (rafael.fernandes@ee.ufcg.edu.br)

Waslon Terllizzie Araújo Lopes (waslon@dee.ufcg.edu.br)

Marcelo Sampaio de Alencar (malencar@dee.ufcg.edu.br)

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