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XXXV SIMPSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICAES E PROCESSAMENTO DE SINAIS SBrT2017, 3-6 DE SETEMBRO DE 2017, SO PEDRO, SP

Anlise de desempenho de modulao adaptativa em

rede de rdio cognitivo com mltiplo acesso Slotted

Aloha Ana Paula Teles Ribeiro da Silva e Jos Marcos Cmara Brito

Resumo A tecnologia de rdio cognitivo em conjunto com a

tcnica de modulao adaptativa vem sendo amplamente

proposta na literatura como uma soluo promissora para

melhorar o desempenho das redes de telecomunicaes. A

definio dos pontos timos de comutao uma questo chave

quando se utiliza modulao adaptativa. Neste artigo, analisa-se

os pontos timos de comutao em uma rede de rdios cognitivos

com acesso ao espectro concorrente por meio do protocolo Slotted

Aloha. Os pontos de comutao timos so analisados em funo

de dois critrios de desempenho: critrio do atraso e mtrica

power.

Palavras-Chave Modulao Adaptativa, Rdio Cognitivo,

Ponto de Comutao timo.

Abstract Cognitive radio technology using adaptive

modulation techniques has been widely proposed in the literature

as a promising solution to improve the performance of

telecommunications networks. A key issue in the adaptive

modulation technique is finding the optimum switching points

between modulations. In this paper, we considered a cognitive

radio network with concurrent spectrum access granted through

the Slotted Aloha protocol. We analyzed the optimum switching

points in this network are considering two criteria: delay and

power metric.

Keywords Adaptive Modulation, Cognitive Radio, Optimum

Switching Points.

I. INTRODUO

A tecnologia de rdio cognitivo, em conjunto com a tcnica de modulao adaptativa, considerada uma soluo promissora para melhorar o desempenho das redes de comunicao sem fio e garantir qualidade de servio (Quality of Service - QoS) aos usurios, resolvendo o problema de escassez do espectro e contribuindo para a necessidade por altas taxas de transmisso [1] [3].

Um ambiente de rdio cognitivo, em geral, composto por dois tipos de redes, as redes licenciadas, denominadas de redes primrias e as redes no licenciadas, denominadas de redes secundrias. O conceito de rdio cognitivo consiste em um rdio capaz de adaptar seus parmetros de transmisso com base nas informaes coletadas do ambiente de modo a garantir qualidade de servio de ambas s redes [1] [5]. A rede pode operar no modo oportunista, onde os usurios secundrios (USs) detectam partes do espectro no utilizadas pelos usurios primrios (UPs), denominadas de buracos espectrais, e transmitem nestes buracos de forma oportunista, ou no modo

concorrente, onde ambos os usurios, primrios e secundrios, coexistem na mesma banda de frequncia e localidade geogrfica e podem transmitir ao mesmo tempo, mas com o US controlando sua potncia de transmisso de modo a respeitar um limite de interferncia imposto pela rede primria [3] [5].

A tcnica de modulao adaptativa consiste na adaptao da ordem de modulao no transmissor, em funo da estimativa do estado de canal feita no receptor [1] [3] [6] [10]. Portanto, o receptor ir fazer uma estimativa do canal e enviar ao transmissor atravs de um canal de retorno e com base nessa informao o transmissor ir escolher a ordem de modulao que resulte no melhor desempenho, segundo um critrio definido, para as condies do canal naquele momento.

Determinar o ponto timo de comutao entre as modulaes uma questo chave da tcnica de modulao adaptativa. Existem diversas propostas na literatura para se determinar os pontos de comutao e as mais comuns so encontrar o ponto de comutao em funo de uma taxa de erro de bit alvo (BER - Bit Error Rate) [6], ou em funo de uma taxa de erro de pacote alvo (PER - Packet Error Rate) [9]. Porm, as anlises apresentadas em [8] concluem que esses critrios no otimizam alguns parmetros de desempenho, como vazo e atraso. Contudo, as anlises feitas em [8] s se aplicam para alguns tipos especficos de redes sem fio, uma vez que considerou-se um canal sem memria no cmputo dos pontos timos de comutao. Para contornar esta limitao, em [10] os autores estenderam as anlises de [8] adotando um canal com desvanecimento Rayleigh. Por sua vez, as anlises apresentadas em [10] foram generalizadas em [7], onde os autores consideraram um modelo de canal mais genrico, o desvanecimento Nakagami-m, e analisaram a influncia do modelo de canal na determinao dos pontos timos de comutao para os critrios da vazo e do atraso. Finalmente, em [3] os autores consideraram um ambiente de rdio cognitivo com modulao adaptativa, onde o acesso ao meio feito de forma concorrente por meio da tcnica de mltiplo acesso Slotted Aloha, em um canal com desvanecimento Rayleigh, considerando apenas o critrio da mxima vazo para determinao dos pontos timos de comutao.

Este artigo uma extenso da anlise apresentada em [3] considerando agora, para a determinao dos pontos timos de comutao, os critrios do atraso e uma mtrica de desempenho conhecida como mtrica power, que relaciona vazo e atraso.

O restante desse artigo organizado da seguinte forma: na Seo II apresenta-se o modelo do sistema; a demonstrao do

Ana Paula Teles Ribeiro da Silva e Jos Marcos Cmara Brito Instituto

Nacional de Telecomunicaes (INATEL), Santa Rita do Sapuca - MG, Brasil, E-mails: anaptrs@gmail.com, asilva@inatel.br, brito@inatel.br. Este trabalho foi

parcialmente financiado pela Finep, com recursos do Funttel (01.14.0231.00), sob o

projeto Centro de Referncia em Radiocomunicaes (CRR) do Instituto Nacional de

Telecomunicaes - Inatel, Brasil.

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mailto:anaptrs@gmail.com

XXXV SIMPSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICAES E PROCESSAMENTO DE SINAIS SBrT2017, 3-6 DE SETEMBRO DE 2017, SO PEDRO, SP

clculo do atraso e da mtrica power so apresentados na Seo III; os resultados numricos so apresentados na Seo IV e, por fim, na Seo V so feitas as concluses deste trabalho.

II. MODELO DO SISTEMA

A arquitetura da rede segue o modelo apresentado em [3] [5]. Ambas as redes, primria e secundria, transmitem de maneira concorrente por meio do protocolo Slotted Aloha, porm o usurio secundrio transmite em uma potncia menor, respeitando o limite de interferncia imposto pela rede primria. Cada uma das redes possui uma arquitetura do tipo centralizada, ou seja, a rede primria possui um ponto de acesso primrio (PAP) e a rede secundria um ponto de acesso secundrio (PAS). A rede primria composta por Np usurios e dentro de uma janela de tempo (time slot) do protocolo Slotted Aloha, existem Ip usurios em tentativa de transmisso onde 0 Ip Np. Similarmente, a rede secundria possui Ns usurios e dentro de um time slot existem Js usurios secundrios em tentativa de transmisso, onde 0 Js Ns.

No protocolo Slotted Aloha, os terminais s podem tentar transmitir seus pacotes no incio de cada time slot, e transmitem sem se preocupar com os demais. A probabilidade de um usurio gerar um pacote de p para rede primria e s para rede secundria. Se um pacote transmitido no for recebido com sucesso, o usurio aguarda o prximo slot e tenta retransmitir com probabilidade p para rede primria e s para rede secundria [3] [5]. Neste trabalho, considerou-se retransmisses ilimitadas, sendo assim, um pacote recebido com erro ser retransmitido at obter sucesso na transmisso.

III. CRITRIOS DE DESEMPENHO

A. Critrio do atraso

De acordo com [4] [5], o atraso mdio definido pelo nmero mdio de slots necessrios para que o pacote de interesse seja transmitido com sucesso.

A probabilidade de um pacote de interesse ser capturado pelo seu ponto de acesso no primeiro time slot aps sua gerao denominado de pop, para a rede primria, e pos para a rede secundria; estas probabilidades so definidas respectivamente por [4] [5]:

1

1

0 0

11 1

1

1

p sp s

N NN i N jp si j

op p p s s

i j

ji

N Np

i j

R R

(1)

1

1

0 0

11 1

1 1

1 1

p sp s

N NN i N jp si j

os p p s s

i j

i j

N Np

i j

R R

(2)

onde i e j representam o nmero de estaes interferentes em um dado time slot, visto que o pacote de interesse est sendo transmitido, R a razo de captura e a relao entre os nveis de potncia mdia da rede primria e da rede secundria [3] [5].

Seja Pop(Kp=k) e Pos(Ks=k) a probabilidade do pacote de interesse ser capturado com sucesso no k-simo time slot aps sua transmisso para as redes primria e secundria, respectivamente, onde k 1. Seguindo anlise presente em [4] [5] as funes massa de probabilidade de Kp e de Ks, respectivamente, so definidas por:

2

1

1 1 1 , 2,3,...

op p op

k

op p op op p op p

P K p

P K p p p k

(3)

2

1

1 1 1 , 2,3,...

os s os

k

os s os os s os s

P K p

P K p p p k

(4)

O atraso mdio das redes pode ser definido pelo valor esperado das variveis aleatrias Kp e Ks, conforme [4] [5]. As expresses para clculo do atraso mdio para cada rede deduzida em [4] [5], resultando nas expresses simplificadas:

11

op

op

op p

pD

p

(5)

11 osos

os s

pD

p

(6)

Para contabilizar os erros do canal como em [4], basta ponderar as expresses pop e pos pela taxa mdia de pacotes

recebidos com sucesso em cada modulao ( ),nPSR cujo

clculo apresentado em [3]. L