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) 

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

Sobre os autores 

Marcelo Portela Sousa 

◮ Formação: 

⋆ Engenharia Elétrica, ÁREA1 

⋆ Mestrado em Engenharia 

Elétrica, UFCG 

⋆ Doutorando em Engenharia 


◮ Prof. Substituto, IFPB 

Waslon Terllizzie Araújo Lopes 


⋆ Engenharia Elétrica, UFPB 


Elétrica, UFPB 

⋆ Doutorado em Engenharia 


◮ Prof. Adjunto I, UFCG 

Rafael Fernandes Lopes 


⋆ Ciência da Computação, UFMA 


Elétrica, UFMA 

⋆ Doutorando em Engenharia 


◮ Prof. Assistente II, IFMA 

Marcelo Sampaio de Alencar 


⋆ Engenharia Elétrica, UFPE 


Elétrica, UFPB 

⋆ Ph.D. Engenharia Elétrica, 

University of Waterloo, Canadá 

◮ Prof. Titular, UFCG 


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 


Introdução 













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%). 


Introdução 

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

de Berkeley 


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. 


Introdução 

Relação – duração do pulso x largura de banda 


Introdução 

Espectro de RF e oportunidades de uso do espectro 


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). 


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. 


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. 


Rádio Cognitivo 

Introdução 

Software Defined Radio (SDR); 

Acesso Dinâmico ao Espectro; 

Aprendizagem de Máquina. 


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. 


Introdução 

Funcionalidades do Rádio Cognitivo 

1 Sensoriamento Espectral; 

2 Gerenciamento Espectral; 

3 Compartilhamento Espectral; 

4 Mobilidade ou “Handoff” Espectral. 


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. 


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. 


Introdução 

Compartilhamento espectral – Underlay vs. Overlay 


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. 


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. 


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 


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. 


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 


Sensoriamento 

Camada de Rede 

Camada de Enlace 

Camada Física 

Sensoriamento 

Espectral 


Roteamento/ 



Escalonamento/ 



Sensoriamento/ 


Função de 

Gerenciamento 

Espectral 

Decisões sobre Handoff, Informações Atuais e Candidatas sobre o Espectro 


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. 


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. 






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. 



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. 



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. 



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. 



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. 


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. 



Conceito de espaços em branco ou lacunas espectrais 




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. 



Métodos de identificação de espaços em branco 

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



















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. 




Funcionalidades das camadas relacionadas ao 

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. 





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. 



Problemas de detecção 


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



















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. 



Arquitetura física geral dos SDRs 


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) 



















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 








Modelo de detecção baseada em interferência 


Detecção cooperativa 



“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 


Detecção cooperativa 



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. 




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. 



Detecção com filtro casado 


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. 




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. 


Detecção de energia 



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. 


Detecção de energia 



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. 



Detecção de características 


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. 




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. 





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. 





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



Comparação entre as técnicas 


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 


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. 



Densidade espectral de potência de um sinal NTSC 



Densidade espectral de potência de um sinal ATSC 



Densidade espectral de potência de um sinal de microfone 

sem fio 



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. 



Exemplo de uma célula 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). 







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). 




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). 



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 



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) 



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. 


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. 



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. 


Análise Espectral 


Caracterização das faixas ociosas detectadas; 

Qualidade da faixa espectral: 

◮ Nível de interferência; 

◮ Taxa de erro do canal; 

◮ Atenuação por percurso; 

◮ Tempo de espera. 


Decisão Espectral 


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. 


O Ciclo Cognitivo 





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. 



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. 



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. 



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. 



CSMA com quatro opções de handshaking 



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. 


O Protocolo HC-MAC 


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. 



Controle de Acesso para Dois Enlaces no HC-MAC 



Protocolos de Acesso Agendado 

Necessitam de sincronização da rede; 

O intervalo de transmissão é dividido em períodos; 

Canal de controle; 

Transmissão de dados. 



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. 



Estrutura do Superframe 



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; 



Operação do C-MAC 


Superframes 

◮ Período de Sinalização (BP – Beacon Period); 

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


Sinalização distribuída; 

Coordenação entre canais; 

Coexistência; 

Equiĺıbrio de carga. 


Operação do C-MAC 




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. 



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. 


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. 



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. 



Múltiplas Faixas de Frequência entre Nós 



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. 


Algoritmo BP-CT 


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. 



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. 



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. 



Desafios Relativos ao Projeto da Camada de Rede 

Disponibilidade de enlace; 

Enlaces unidirecionais. 



Desafios Relativos ao Projeto da Camada de Rede 

Re-roteamento; 

Gerenciamento de filas. 


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. 




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. 




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. 




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. 




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. 




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. 




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. 




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. 


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. 



Pesquisas desenvolvidas no Iecom 

Redes Cognitivas Multimídia: FAST – Fuzzy Spatial Video Transcoding 

System 

SimulSense – Software Simulation Framework for Spectrum Sensing. 



Pesquisas desenvolvidas no Iecom – SimulSense 



Pesquisas desenvolvidas no Iecom – SimulSense 


Agradecimentos 



Contato 


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)

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

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