Redes de Rádios Cognitivos

Transcrição

7/16/12 Redes de Rádios Cognitivos:
Arquiteturas, Sensoriamento Espectral
e Questões Regulatórias
Minicurso
Simpósio Brasileiro de Telecomunicações
Brasília, 13 a 16 de setembro de 2012
Rafael Kunst, Cristiano Both, Lucas Bondan, Maicon
Kist, José Jair Santanna, Leonardo Faganello,
Lisandro Granville, Juergen Rochol
`
Agenda
①  Introdução e Evolução das Redes Sem Fio
②  Redes de Rádios Cognitivos
③  Arquiteturas para Acesso ao Espectro
④  Políticas de Acesso ao Espectro
⑤  Demonstração de Aplicações
⑥  Considerações Finais
2
1 7/16/12 Introdução
Introdução
§  Aplicações demandam elevadas taxas de
transmissão
§  É necessário levar serviço de banda larga até as
zonas rurais
§  Espectro de frequências está cada vez mais escasso
§  Acesso dinâmico ao espectro de frequências
3
Introdução
Redes de Voz
Evolução dos Sistemas Sem Fio
70:
Redes de Dados
Pesquisa Básica
80:
1a. Geração Celular
Técnicas de Acesso
90:
Redes Locais - WLAN
00:
WPAN, WMAN, WRAN
10+:
WWANs/Integração
4
2 7/16/12 Agenda
5
Introdução
§  Redes de próxima geração demandam banda larga
§  IEEE 802.22 surge como uma opção para WRAN
§  Serviços de banda larga fixo
§  Cobertura cidade e zona rural
6
3 7/16/12 Redes de Rádios Cognitivos
Introdução (cont.)
§  Rádios cognitivos possibilitam o acesso dinâmico
ao espectro de frequências
§  Usuários primários (licenciados) e secundários
(oportunistas) compartilham o espectro
§  Usuários secundários devem ser capazes de adaptar
a frequência de transmissão dinamicamente
7
Fundamentação Teórica
§  A política atual de alocação do espectro colabora
para o problema da escassez
§  A alocação do espectro é definida por agências
governamentais (Anatel, FCC, etc)
§  Grande parte do espectro está alocado, porém
subutilizado [39]
8
Histórico
§  2002: Nos Estados Unidos a FCC propôs a
exploração de canais de TV para prover acesso de
banda larga em zonas rurais
§  2004: Canais 5 a 13 (VHF) e 15 a 51 (UHF)
foram reservados
§  2009: padrão IEEE 802.22 foi publicado
9
Modelo de Referência do Padrão IEEE 802.22 [40]
Níveis superiores como TCP/IP
Database
Service
B4/C4
CS-SAP
MAC-SAP
MAC
Common Part Sublayer (CPS)
B1/C1
Security sublayer 1
PHY-SAP
(Radio Software)
Spectrum Maneger (SM) BS
+Spectrum Sensing Automaton (SSA) BS e CPE
Security sublayer 2
Nível
Físico
SM-GL
SAP
Spectrum
Sensing
Function
(SSF)
B3/C3
B1/C1
B2/C2
SM-SSF
SAP
B2/C2
Management
Information
Base
(MIB)
C-SAP
Escopo IEEE
802.22
(CPE ou BS)
B4/C4
B3/C3
Network Control System (CPE/BS)
Security Features
Nível de
Enlace
M-SAP
Convergence Sublayer
(Ex.: 802.1d)
Geolocation
Plano de Dados
Plano de
Controle e
Gerenciamento
CX: CPE (Customer Premise Equipment)
Bx: BS (Base Station)
Plano Cognitivo
10
§  Camada Física:
§  Orthogonal Frequency Division Multiple Access
(OFDMA) com 2048 subportadoras
§  Largura de banda: 6, 7, or 8 MHz
§  Suporta Time Division Duplex (TDD), podendo
incluir Frequency Division Duplex (FDD) no futuro
§  Não suporta organização das antenas tipo
Multiple Input Multiple Output (MIMO)
11
§  Codificação de Canal:
§  Códigos Convolucionais são obrigatórios
§  Podem ser aplicados Turbo Codes e Low Density Parity
Check (LDPC)
§  Entrelaçamento de bloco
§  Modulações: BPSK, QPSK e QAM
§  14 Modulation and Coding Schemes (MCS)
§  12 para transmissão de dados
§  2 para envio de mensagens de controle
12
§  Camada MAC:
§  Orientada à conexão
§  Upstream: compartilhado usando DAMA
(Demand Assigned Multiple Access)
§  Algoritmo de escalonamento deve ser proposto
§  Downstream: escalonamento simples
§  Dados organizados em slots consecutivos
13
§  Camada MAC (cont.):
§  Tecnologias tradicionais implementam:
§  Sincronização, ranging, negociação de capacidade,
autorização, registro, configuração de conexão
§  IEEE 802.22 inclui também:
§  Geolocalização, base de dados de acesso,
sensoriamento espectral inicial, sincronização
entre redes e descoberta de vizinhos
14
Funções Cognitivas
§  Dois tipos de usuários: primários e secundários
§  Requer a implementação de mecanismos para:
§  Coexistência entre os usuários
§  Gerenciamento do sensoriamento espectral
§  Gerenciamento da geolocalização
§  Dynamic Spectrum Access (DSA)
§  Coexistência entre redes através do Coexistence Beacon
Protocol (CBP)
15
Funções Cognitivas (cont.)
§  Usuários secundários devem implementar quatro
técnicas para lidar com a escassez espectral:
1.  Determinar porções não utilizadas do espectro
2.  Selecionar o melhor canal dentre os disponíveis
3.  Compartilhar o acesso com outros usuários
4.  Liberar o canal quando um usuário primário desejar
transmitir
16
Funções Cognitivas [52]
Mobilidade
Camada de Enlace
•  Quatro funções definidas
para possibilitar a
implementação dessas
técnicas
Decisão
Compartilhamento
Energia
Frequência
Camada Física
Livre
Livre
Atividades dos usuários primários
Livre
Requisição de adaptação
Tempo
Sensoriamento
Relatório de reconfiguração do rádio
Simpósio Brasileiro de Telecomunicações Brasília, 13 a 16
de setembro de 2012
17
Sensoriamento Espectral [46]
Detecção de
Energia
Detecção de
Formato de Onda
Sensoriamento
Cicloestacionário
Identificação
de Rádio
Filtragem
Casada
18
9 7/16/12 Funções Cognitivas
Compartilhamento Espectral [52]
Centralizado [53]
Distribuído [54]
Unidade
Central
Base de
Políticas
Colaborativo [52]
Network #1
Base de
Políticas
Network #2
Base de
Políticas
Mapa de alocação espectral
Requisição/Resposta - Políticas
Usuário secundário
Área de compartilhamento espectral
19
Decisão Espectral [56]
§  Usuário secundário seleciona o melhor canal
disponível
§  Leva em consideração a situação do canal
§  Interferências
§  Erros
§  Atrasos
20
10 7/16/12 Funções Cognitivas
Mobilidade Espectral [52]
§  Alteração na configuração do dispositivo
§  Recebe informações da função de decisão espectral
§  Realiza o handoff espectral
§  A duração do handoff deve ser conhecida pelos
usuários secundários para evitar interferências
21
Pesquisas em Rádio Cognitivo
Controle de Acesso ao Meio [57]
§  Três abordagens principais:
§  Bootstrap: definição de qual canal será analisado[60, 64]
§  Canal de controle e gerenciamento
§  Dedicado a informações de controle [58, 59, 61, 62, 63, 65,
66, 67]
§  Dividido entre controle e dados [68, 69]
§  Sensoriamento simultâneo em múltiplos canais
de setembro de 2012
22
11 7/16/12 Pesquisas em Rádio Cognitivo
Escalonamento de Tráfego dos Usuários Secundários
§  Duas abordagens principais:
§  Centralizada [70, 71, 72]
§  Teoria das filas
§  Decisão baseada em cadeias de Markov
§  Distribuído [73, 74]
§  Sensoriamento colaborativo
§  Troca de mensagens
de setembro de 2012
23
Pesquisas em Rádio Cognitivo
Controle de Admissão Espectral
§  Tipicamente centralizado
§  Principais abordagens:
§  Controle de admissão baseado na energia [75]
§  Minimização da interferência [76]
§  Maximização da vazão [77]
de setembro de 2012
24
12 7/16/12 Pesquisas em Rádio Cognitivo
Aplicações de Rádios Cognitivos
§  A principal aplicação atual é acesso de banda larga
§  Poucos trabalhos focam em outras aplicações
§  Wang [78] propôs o principal deles, focando em:
§  Smart Grid
§  Segurança pública
§  Redes celulares
§  Aplicações médicas
de setembro de 2012
25
Agenda
26
Software Defined Radio (SDR) [55]
§  Interface de rádio flexível
§  Processamento de sinais pode ser implementado em software
Codificação
Entrelaçamento
Modulação
Filtragem
D/A
Transmissor
Σ
Canal
Codificação
Entrelaçamento
Modulação
Filtragem
A/D
Receptor
27
Arquiteturas para Acesso ao Espectro
Universal Software Radio Peripheral (USRP)
§  Transforma computadores de propósito geral em
plataformas de hardware para execução de SDR
§  Placa-mãe contendo uma FPGA
28
14 7/16/12 Arquiteturas para Acesso ao Espectro
Universal Software Radio Peripheral (USRP)
§  Conversores A/D de 14 bits
e D/A de 16 bits
§  Amostragens de
até 25MHz
§  Suporte a MIMO
através de placas-filhas
29
Software Communications Architecture (SCA)
§  Desenvolvida pelo Departamento de Defesa dos
EUA
§  Independência de hardware
§  Reuso de software
30
Software Communications Architecture (SCA)
§  Framework Central:
31
Open Source SCA Implementation Embedded (OSSIE)
§  Gera código no formato especificado pela SCA
§  Projetada para ensino e pesquisa
§  Possui uma GUI, chamada de Waveform Developer
§  Possui um depurador, chamado ALF
32
GNU Radio
§  Plataforma open source mais utilizada em pesquisas
§  Implementação modular através de blocos
interconectáveis
§  Compatível com USRP e SCA
§  GUI: GNU Radio Companion
33
Sora
§  Desenvolvido pela Microsoft
Research Asia
§  Implementado através de um
hardware conectado à
placa-mãe de computadores:
Radio Control Board (RCB)
34
Iris
§  Foco em flexibilidade e SDR reconfigurável
§  Utiliza componentes que podem ser interligados
§  Três engines para possibilitar reconfiguração:
§  PHY Escalonado
§  PHY Flexível
§  Pilha de Rede
35
Comparativo entre as arquiteturas
Arquitetura
Hardware
Dedicado
Sistema
Operacional
GUI
Linguagens
OSSIE
X
Unix
X
Phyton/C++
GNU Radio
X
Windows/Unix
X
Phyton/C++
Sora
X
Windows
C++
Iris
X
Windows/Unix
C++
36
18 7/16/12 Agenda
37
Políticas de Acesso ao Espectro
Gerenciamento de Redes de Rádios Cognitivos
§  Arquitetura:
§  Local
§  Global
Figura adaptada de [40]
38
19 7/16/12 Políticas de Acesso ao Espectro
Gerenciamento Local
§  Grande quantidade de dados
§  Informações do Usuário
§  Informações de Contexto
§  Informações de Política
39
Gerenciamento Global
§  Garantir que as políticas sejam seguidas
§  Perfil de usuário
§  Contexto
§  Políticas
§  Configurações
Figura adaptada de [79]
40
Especificações do padrão IEEE 802.22 [40]
§  Gerência local
§  Informações mantidas no formato de uma MIB
Grupo
Funcionalidade
wranDevMib
Detalha objetos que serão gerenciados na BS e no CPE
wranIfBsMib
Operação da BS, baseada no modelo FCAPS
wranIfBsSfMgmt
Configuração, instanciação e gerência
wranIfCpeMib
Define objetos para gerência dos CPEs
wranIfSmMib
Gerência do espectro de frequências
wranIfSsaMib
Configuração e operação do Spectrum Sensing Automaton
wranIfDatabaseServiceMib
Acesso e interação com o banco de dados
41
CREMS
§  Cognitive Reconfigurable
Equipment Management
System
§  Proposto em 2007
§  Stavroulaki et al. [80]
42
CTMS
§  Cognitive Terminal Management System [81]
§  Stavroulaki et al. propôs em 2008, baseado no CREMS
43
CRNM
§  Cognitive Radio
Network Management
§  Proposto em 2008
§  Wang et al. [82]
44
22 7/16/12 Agenda
45
Agenda
46
23 7/16/12 Considerações Finais
§  Evolução das redes sem fio
§  Principais tecnologias sem fio
§  Importância dos rádios cognitivos
§  Funções cognitivas e arquiteturas
§  Políticas de acesso ao espectro
47
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