Rádios Cognitivos
45
Instituto Nacional de Telecomunicações CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA RÁDIOS COGNITIVOS Antonio Augusto Lemos Pereira Henrique Iemini Azzi Goz Ribeiro Luca Freire de Rezende Marcos Vinicius Pereira Junho de 2011
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Este é um trabalho de conclusão de curso que faz uma breve introdução à tecnologia de Rádios Cognitivos, informando sua importância para o futuro das telecomunicações, os estudos para o desenvolvimento da tecnologia, os desafios e possíveis soluções para a sua implementação e suas aplicações.
Transcript of Rádios Cognitivos
Instituto Nacional de Telecomunicações
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
RÁDIOS COGNITIVOS
Antonio Augusto Lemos Pereira
Henrique Iemini Azzi Goz Ribeiro
Luca Freire de Rezende
Marcos Vinicius Pereira
Junho de 2011
ii
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO DO INATEL
Antonio Augusto Lemos Pereira
Henrique Iemini Azzi Goz Ribeiro
Luca Feire de Rezende
Marcos Vinicius Pereira
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para obtenção do Título de Engenheiro Eletricista.
ORIENTADOR: Prof. Dr. Luciano L. Mendes
Santa Rita do Sapucaí 2011
iii
P436r
Rádio Cognitivo / Antonio Augusto Lemos Pereira, Henrique Iemini Azzi Goz Ribeiro,
Luca Freire de Rezende, Marcos Vinicius Pereira. – Santa Rita do Sapucaí, 2011.
45 p.
Orientador: Prof. Dr. Luciano Leonel Mendes
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia Elétrica – Instituto Nacional de
Telecomunicações – INATEL.
Inclui anexo e bibliografia.
iv
FOLHA DE APROVAÇÃO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado e aprovado em XX / YY / 2011 pela
comissão julgadora:
Luciano Leonel Mendes / Inatel – Orientador e Presidente da Comissão Julgadora
Nome / Inatel – Membro da Comissão Julgadora
Nome / Inatel – Membro da Comissão Julgadora
__________________________________________
Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica
v
Dedicamos este trabalho aos nossos familiares pelo amor e incentivo proporcionado a
nós durante todos estes anos.
vi
AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao nosso orientador Professor Dr. Luciano Leonel Mendes por todo
apoio, confiança, paciência e pelos ensinamentos. Aos professores e funcionários do Instituto
Nacional de Telecomunicações por proporcionar um ambiente propício ao estudo e com toda
infra-estrutura necessária para execução das atividades acadêmicas. Aos familiares por
depositar em nós toda confiança ao longo do curso e nos apoiar nos momentos mais difíceis.
Aos colegas da graduação que estiveram sempre presentes ao longo do curso, e a todos
aqueles que de alguma forma contribuíram para o sucesso desta jornada. A todos vocês o
nosso sincero agradecimento pela oportunidade e ajuda recebida.
vii
RESUMO
Este trabalho sobre Rádios Cognitivos tem início com uma introdução que ressalta a
importância desta tecnologia para o futuro das telecomunicações e a motivação para o estudo
deste assunto. Em seguida é apresentado um histórico sobre Rádios Cognitivos, a definição de
cognição e as expectativas e funcionalidades esperadas deste modelo de rádio. Posteriormente
é descrito os desafios para implementação do sistema seguido de uma síntese para a solução
destes problemas. Então são explanados as diversas aplicações de Rádios Cognitivos,
mostrando as grandes vantagens da implementação deste sistema para eficiência espectral,
segurança pública, facilidade de acesso banda larga e interatividade com o usuário.
Palavras-chaves: Rádio Cognitivo; Espectro; Implementação; Usuário; Modulação.
viii
ABSTRACT
This essay on Cognitive Radios starts with a introduction that highlights the importance
of the technology to the future of telecommunication and the motivation to the studies. Then
is presented a historic about the technology, the definition of cognition and the expectations
and functionalities of this radio model. Later is described the challenges to the
implementation of the system followed of a summary to the solution to these problems. Then
are explained the several applications of the Cognitive Radios, showing the greats advantages
of this system implementation for the spectral efficiency, public security, accessibility to the
broadband and interactivity to the user.
Keywords: Cognitive Radio; Description; Implementation; User; Modulation.
ix
ÍNDICE
LISTA DE FIGURAS .................................................................................................................. 11
LISTA DE TABELAS ................................................................................................................. 12
LISTA DE ABREVIATURAS .................................................................................................... 13
LISTA DE SÍMBOLOS .............................................................................................................. 15
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO ............................................................................................... 16
1. MOTIVAÇÃO ................................................................................................................... 18
2. OBJETIVOS ...................................................................................................................... 18
3. ESTRUTURA DO TRABALHO ...................................................................................... 19
CAPÍTULO 2. COGNIÇÃO E RÁDIO COGNITIVO .......................................................... 20
1. HISTÓRICO ...................................................................................................................... 20
2. DEFINIÇÃO DE COGNIÇÃO ......................................................................................... 22
3. DIFICULDADES, FUNCIONALIDADES E EXPECTATIVAS DO RC ....................... 23
3.1 SENSORIAMENTO ESPECTRAL .................................................................................. 24
3.1.1 DETECÇÃO BASEADA EM INTERFERÊNCIA ........................................................... 25
3.1.2 DETECÇÃO BASEADA EM TRANSMISSOR .............................................................. 26
3.1.3 DETECÇÃO COOPERATIVA ......................................................................................... 27
3.2 GERENCIAMENTO ESPECTRAL ................................................................................. 27
3.3 COMPARTILHAMENTO ESPECTRAL ......................................................................... 28
3.4 MOBILIDADE ESPECTRAL ........................................................................................... 28
4. CONCLUSÃO ................................................................................................................... 28
CAPÍTULO 3. DESAFIOS PARA IMPLEMENTAÇÃO DE RC ....................................... 30
1. PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS - DSP ......................................................... 30
2. DISPOSITIVO LÓGICO PROGRAMÁVEL - FPGA ...................................................... 31
3. COMPONENTES ADAPTATIVOS ................................................................................. 31
3.1. CONVERSÃO A/D E D/A ................................................................................................ 32
x
3.2. FILTRAGEM ADAPTATIVA .......................................................................................... 33
3.3. AMPLIFICAÇÃO ............................................................................................................. 34
4. CONVERSÃO DE FREQUÊNCIA .................................................................................. 35
5. ANTENAS DE FAIXA LARGA ...................................................................................... 35
6. CONCLUSÃO ................................................................................................................... 36
CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES DE RÁDIOS COGNITIVOS .............................................. 38
1. ACESSO DINÂMICO DO ESPECTRO ........................................................................... 38
2. ACESSO BANDA LARGA EM REGIÕES DE BAIXA DENSIDADE POPULACIONAL ..................................................................................................................... 39
3. RECURSOS PARA GUERRA TECNOLÓGICA ............................................................ 40
4. UTILIZAÇÃO EM SEGURANÇA PÚBLICA ................................................................. 41
5. INTERATIVIDADE COM USUÁRIOS .......................................................................... 41
6. CARACTERÍSTICAS DO RC PARA ATENDER AS APLICAÇÕES ........................... 42
CAPÍTULO 5. CONCLUSÃO ................................................................................................. 43
REFERÊNCIAS .......................................................................................................................... 44
xi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Evolução dos RDS para os RC. ...................................................................... 20
Figura 2 - Diagrama Básico de um RDS. ........................................................................ 21
Figura 3 - Diagrama de Arquitetura RDS. ...................................................................... 21
Figura 4 - Diagrama de Rádio Cognitivo. ....................................................................... 22
Figura 5 - Fluxograma do Processo de Cognição. .......................................................... 24
Figura 6 - Fluxograma de Sensoriamento Espectral. ...................................................... 25
Figura 7 - Estrutura básica de um rádio analógico ajustável. ......................................... 32
Figura 8 - Diagrama básico de uma antena inteligente. .................................................. 36
Figura 9 - RC alocado em faixa disponível do espectro aguardando solicitação............ 38
Figura 10 - Sinal de TV solicita faixa de espectro disponível ao RC. ............................ 39
Figura 11 - RC libera espectro para o sinal de TV e se aloca em outra parcela. ............ 39
Figura 12 - Reuso do Espectro em Redes Cognitivas. .................................................... 40
xii
LISTA DE TABELAS
Nenhuma entrada de índice de ilustrações foi encontrada.
xiii
LISTA DE ABREVIATURAS
A/D Analógico/Digital
AGC Aautomatic Gain Control
ANATEL Agência Nacional de Telecomunicações
AP Amplificador de Potência
CGP Circuito de Gerência de Potência
D/A Digital/Analógico
DC Down-converter
DD Dispositivos Duplexing
DSP Digital Signal Processor
FCC Federal Communications Commission
FR Figura de Ruído
FFT Fast Forrier Transform
FPGA Field Programmable Gate Array
GHz Giga Hertz
IEEE Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos
ISM Industrial, Scientific and Medical
LNA Low Noise Amplifier
LTCC Low Temperature Co-Fired Ceramics
MAC Controle Médio de Acesso
xiv
MHz Mega Hertz
MIMO Multiple-Input and Multiple-Output
NF Noise figure
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Out-of-Band Fora de Banda
PDA Personal Digital Assistent
RC Rádio Cognitivo
RDS Rádio Definido por Software
RF Rádio Frequência
SI Sintetizador de Impedâncias
SNR Signal-to-Noise Ratio
SM-MIMO Spatial Multiplexing – MIMO
STC-MIMO Space Time Coding – MIMO
TV Televisão
UC Up-converter
UHF Ultra Hight Frequency
UWB Ultra-Wideband
VHF Very Hight Frequency
VSWR Voltage Standing Wave Radio
Wi-Fi Wireless Fidelity
xv
LISTA DE SÍMBOLOS
Β Largura de banda
fc Frequência central.
K Constante de Boltzmann.
Pi Poder de interferência média.
Τι Temperatura de interferência.
16
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
Atualmente na engenharia de telecomunicações, um dos grandes desafios enfrentado
nas áreas de pesquisa é o de solucionar as limitações impostas pela escassez da faixa de
utilização comercial do espectro eletromagnético, visando assim atender as perspectivas dos
usuários em relação ao serviço prestado. Um dos pontos a ser analisado é a telefonia móvel,
que vem crescendo de maneira acelerada já que o mercado oferece preços cada vez mais
acessíveis. O crescente interesse dos consumidores vem tomando conta deste mercado de
forma surpreendente com: celulares, smartphones, notebooks, entre outros. Isso gera um
acúmulo de usuários que implica em uma necessidade de ampliação na rede de cobertura.
Para que todas as funções desses dispositivos sejam atendidas as operadoras precisam buscar
novas tecnologias para uma otimização do espectro eletromagnético, a fim de aumentar a
velocidade de transferência de dados e a área de cobertura.
O acesso ao espectro eletromagnético é algo de grande valor econômico e motivo de
muita discussão em todo o mundo. Segundo [2], em um leilão realizado nos Estados Unidos
em 2009, o valor para uma largura de faixa de 1MHz (Mega Hertz) chegou a US$
200.000.000,00 (Duzentos milhões de Dólares). Por isso a necessidade de investimentos cada
vez mais elevados em pesquisas de otimização do uso espectral.
A tecnologia que surge prometendo ser uma das soluções para os problemas citados
anteriormente é o conceito de RC (Rádio Cognitivo). Os RC são rádios que podem utilizar da
tecnologia de Rádios Adaptativos e RDS (Rádios Definidos por Software) que têm como
principal vantagem o uso otimizado do espectro eletromagnético. Mas esta tecnologia busca
não só solucionar problemas de uso do espectro, como também proporcionar uma melhor
utilização dos sistemas de telecomunicações e um melhor suporte ao usuário.
O conceito de Rádio Cognitivo foi proposto por um cientista chamado Joseph Mitola III
em 1998, e foi definido pelos fóruns do RDS e IEEE (Instituto de Engenheiros Eletricistas e
Eletrônicos) [3] em 2007 como Radio 7, sendo:
• Rádios em que os sistemas de comunicação estão conscientes do seu ambiente e
estado interno, podendo tomar decisões sobre seu comportamento operacional de radio
com base em informações e objetivos pré-definidos. A informação ambiental pode ou
não incluir a informação de localização relacionada com o sistema de comunicação.
17
• Rádio Cognitivo (como definido no parágrafo 1) que usa RDS, Rádio Adaptativo, e
outras tecnologias para ajustar automaticamente o seu comportamento ou as operações
para alcançar os objetivos desejados.
Os principais objetivos de um RC são:
• Gestão e otimização do espectro eletromagnético;
• Interface com uma ampla variedade de redes sem fio já existentes;
• Interface com o usuário.
Ou seja, um RC deve ser capaz de identificar as faixas de frequências livres e utilizá-las
de maneira correta sem que haja interferência nos sistemas operantes. Deve ser capaz de
reconhecer sua localização e estado interno, detectar a presença de outros rádios através de
medições ou consultas a bancos de dados e ainda, modificar seus parâmetros de transmissão e
recepção para utilizar as oportunidades de acesso na faixa em questão. Deve tomar decisões
em tempo real para maximizar a taxa de transmissão e/ou a qualidade do serviço.
Porém, nem mesmo um rádio com tal capacidade consegue sanar todas as necessidades
e carências em todo espectro eletromagnético. Existem regras e normas rigorosas que devem
ser utilizadas e seguidas. Normas estas que são impostas por órgãos de inspeção que
determinam as faixas de frequências liberadas para cada tipo de aplicação, no caso do Brasil,
coordenada pela ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações).
Uma área de atuação do RC que está sendo pesquisada é a de gerenciamento de dados e
execução do artifício de cognição existente no mesmo. Tal aplicação seria um grande avanço
na área e ofereceria muitas funções possíveis para dispositivos móveis que hoje não são
aproveitadas. Tomando como base os aparelhos celulares, todos eles possuem microfones e a
maioria possui câmera de vídeo, porém eles não falam, não ouvem e não enxergam. Ou seja,
eles não possuem recursos necessários para interagirem automaticamente com o usuário. A
tecnologia RC tornará possível esta interação.
Um exemplo prático seria o seguinte: Quando você chega em casa, você aciona um
aparelho que, automaticamente abre o portão da sua casa para que você entre. Este aparelho
envia um sinal de rádio para a central de controle que identifica este sinal e abre o portão.
Então, o aparelho celular seria capaz de identificar a frequência e amplitude deste sinal,
reconhecer sua garagem e aprender o procedimento de modo que, sempre quando você
18
chegasse em casa, o aparelho móvel reconheceria sua garagem e perguntaria se é desejado que
ele abra o portão. Claro que todo esse processo seria protegido com um sistema de
reconhecimento de voz, assim como todas as aplicações possíveis de RC devem ter um
sistema de segurança para o usuário.
O RC será capaz de realizar complexas funções como a de encontrar lugares ou pessoas
e fornecer informações pertinentes aos mesmos. Será capaz de entender um comando de voz,
obedecer este comando e responder com uma mensagem de áudio. Será capaz de traduzir
idiomas, identificar placas, realizar tarefas à distância e muitas outras coisas.
Esta tecnologia RC, terá um grande impacto positivo na sociedade, proporcionando ao
usuário uma maior demanda, capacidade, velocidade e um menor custo pela utilização. Os
setores ligados a telefonia móvel que oferecem serviços de dados e voz tem grande interesse
para o desenvolvimento do mesmo, pois o seu crescimento implicara no aumento da
capacidade de atendimento e, como consequência, um aumento da oferta de serviços.
MOTIVAÇÃO 1.
Como a maior parte dos enlaces está na faixa entre 80 MHz e 3 GHz (Giga Hertz),
considerados enlaces troposférico de visada direta, temos uma faixa de espectro pequena
tendo em vista que os sinais modulados nessa faixa de frequência necessitam de uma banda
em alguns casos relativamente grande, tal como os canais de TV (Televisão) que precisam de
uma banda de 6 MHz desconsiderando a faixa de guarda entre portadoras. Tomando como
base as faixas de freqüência outorgadas pela ANATEL e assimilando com a capacidade de
informação transmitida, pode-se notar que em grandes centros urbanos tem-se uma escassez
de espectro, em especial nas faixas citadas a cima.
OBJETIVOS 2.
O objetivo deste trabalho de conclusão de curso é realizar um estudo e uma análise
qualitativa da tecnologia de Rádio Cognitivo. O estudo será baseado em fontes bibliográficas,
artigos publicados e outros meio de informação, no intuito de apresentar conceitos e
definições desta tecnologia e desafios relacionados quanto a sua implantação e seu encaixe no
cenário das telecomunicações. A equipe espera através da realização de estudos e pesquisas
fornecer a sociedade, um conjunto de informações que contribua e acrescente conhecimentos
a este assunto. Os resultados obtidos neste trabalho podem ser resumidos em uma descrição
19
detalhada dos sistemas de rádio cognitivo, suas principais aplicações, seus desafios para
implementação e os benefícios que essa tecnologia trará para evolução das telecomunicações.
ESTRUTURA DO TRABALHO 3.
O capítulo 1 foi uma introdução com o propósito de mostrar ao leitor os problemas
relacionados ao uso do espectro eletromagnético e a necessidade de solucioná-los. Apresentou
também o conceito de Rádios Cognitivos e os benefícios que o mesmo trará a sociedade. O
capítulo 2 traz um histórico sobre Rádio Cognitivo, incluindo a origem do termo, sua
definição e evolução até hoje. Traz também os requisitos para que um rádio possa ser
considerado cognitivo, as expectativas e as funcionalidades esperadas em um Rádio
Cognitivo. O capítulo 3 traz as principais dificuldades para a implementação de Rádios
Cognitivos e uma síntese para a solução destes problemas. Também serão abordados temas
como processamento digital de sinais, dispositivos lógicos programáveis, conversão A/D
(Analógico/Digital) e D/A (Digital/Analógico), amplificação, filtragem e conversão de
frequência. O capítulo 4 apresenta exemplos de casos onde o Rádio Cognitivo poderá ser
empregado, sua utilização para prover acesso banda larga em regiões de baixa densidade
populacional ou para servir como uma unidade de gerenciamento espectral pessoal.
Finalmente o capítulo 5 traz as conclusões do trabalho, enfatizando as contribuições
apresentadas.
20
CAPÍTULO 2. COGNIÇÃO E RÁDIO COGNITIVO
HISTÓRICO 1.
Com o passar dos tempos as necessidades de avanços em áreas de telecomunicações são
cada vez maiores. Com isso nota-se um foco no desenvolvimento de novas tecnologias de
comunicações móveis e sem fio. Uma das áreas de pesquisa que se encontra em grande
crescimento é a de uma possível mudança no funcionamento dos rádios.
Nos dias de hoje pode-se notar a transição dos rádios controlados apenas por hardware
para rádios que são controlados por uma combinação de hardware e software [2]. Com isso
tem-se um interesse no estudo de DSP (Digital Signal Processor) que proporciona uma
melhoria nos sistemas de comunicação digital, trazendo mais confiabilidade e um aumento na
capacidade dos rádios digitais. A Figura 1 mostra as funcionalidades de um RDS e sua
evolução para um RC.
Figura 1 - Evolução dos RDS para os RC.
No ano de 1993, Joseph Mitola III denominou os rádios controlados pela combinação de
hardware e software como RDS. A Figura 2 mostra um diagrama básico de um RDS [1] [3].
Para o funcionamento de um RDS, os conversores A/D e D/A são conectados a antena para
que o os sinais sejam modulados e demodulados pelo software, e amostrado. O processador
deve executar o software, fazendo com que o rádio seja configurado baseando-se nas
necessidades e nos compromissos para o seu bom desempenho. O processo simplificado de
transmissão pode ser visualizado no diagrama da Figura 3 [1] [4].
21
Figura 2 - Diagrama Básico de um RDS.
Figura 3 - Diagrama de Arquitetura RDS.
Na figura 3, a camada MAC (Controle de Acesso ao Meio) junto às outras camadas de
rede tem por objetivo ordenar a informação na forma de pacotes de dados que irão passar pela
codificação de canal. O bloco Código Corretor de Erros tem função de inserir bits de
redundância junto aos bits de informação, para se obter uma maior robustez na decodificação
do sinal no receptor. Em seguida o sinal passa por um entrelaçamento, que tem por objetivo
misturar os bits de informação, para que na recepção quando houver o desentrelaçamento, os
bits errados estejam de forma espaçada entre si. Logo após o bloco de entrelaçamento, o sinal
passa por um modulador que terá como objetivo adequar o sinal a banda do espectro que será
ocupada. O conversor de frequência faz a multiplexação do sinal que está na frequência de FI
com um oscilador local variável, e essa variação será importante para fazer com que essa
informação possa ser transladada para a faixa de alta frequência para assim ser transmitida.
Em seguida o sinal é amplificado e logo depois, o filtro passa faixa servirá para anular os
espúrios e a frequência imagem após o translado de frequência.
Joseph Mitola III, motivado com o sucesso de suas pesquisas, desenvolveu um estudo
que defendia a idéia de um RDS com inteligência artificial onde o sistema envolvido decide
automaticamente os seus parâmetros de funcionamento. Surgia a partir deste momento o
22
termo Rádio Cognitivo. Para Mitola, “o Rádio Cognitivo identifica o ponto em que o PDA
(Personal Digital Assistent) sem fio e suas redes relacionadas são computacionalmente
inteligentes para: detectar as necessidades de comunicação dos usuários em função do
contexto de uso; disponibilizar recursos de rádio e serviços sem fio mais apropriados às
necessidades do usuário [4].”
Mitola, no ano de 1999, concluiu que o Rádio Cognitivo teria plena capacidade de
selecionar automaticamente o melhor serviço a ser transmitido, sendo ele capaz de atrasar ou
acelerar a transmissão através dos recursos disponíveis, de acordo com as necessidades de
comunicação dos usuários. Para que isto seja possível, são necessárias algumas tarefas
básicas, sendo o ciclo do RC dividido em três tarefas. Na Figura 4 tem-se um diagrama de um
Rádio Cognitivo exemplificando essas tarefas que são:
Figura 4 - Diagrama de Rádio Cognitivo.
• Sensoriamento RF: Responsável em fazer o monitoramento de uma ampla faixa de
frequência e fazer a detecção de canais livres (white spaces), e por fazer um
mapeamento do nível de interferência e quais são os serviços presentes.
• Identificação do Canal: Faz as previsões de condições atuais do canal e de sua
capacidade.
• Alocação de Recursos: A tarefa deste bloco é realizar o controle de potência e o
gerenciamento dinâmico do espectro.
DEFINIÇÃO DE COGNIÇÃO 2.
A definição básica de cognição é a aquisição de conhecimento. Ou seja, processo de
conhecer, poder de percepção, capacidade de entender uma informação. É uma derivação da
palavra latina cognitione, que nada mais é que a aquisição de conhecimento através da
23
percepção ou captação de uma informação. A palavra cognição aplicada a este trabalho tem
por conotação o reconhecimento e a compreensão que faz do rádio capaz de julgar através do
julgamento e da memorização de atos qual deve ser a atitude tomada em relações
semelhantes, na busca de soluções de problemas que possam satisfazer os usuários de setores
ligados a comunicação.
A cognição vai além da simples aquisição de conhecimentos. É na verdade, a aquisição
de conhecimento e aplicação do mesmo em ações inteligentes. Pode-se dizer que é um
processo de conhecimento que possui como material a informação do meio e o que já está
registrado na memória, neste caso na memória do RC. Visando uma forma de maior
entendimento, alguns filósofos substituem o termo cognitivo por intelectual. Isto não quer
dizer que o termo inteligência ou intelecto seja simples ou que seja menos confuso que o
termo cognição. A atitude filosófica se justifica pelo uso mais comum no cotidiano das
pessoas, por serem palavras mais usadas no dia a dia, proporcionando, assim, mais segurança
ao leitor na questão do entendimento.
Resumindo, cognição é a capacidade de aquisição, processamento, interpretação,
assimilação e memorização de uma informação captada. Na Figura 5 pode-se acompanhar o
processo de cognição natural (homem) e artificial (máquina).
DIFICULDADES, FUNCIONALIDADES E EXPECTATIVAS DO RC 3.
As dificuldades na funcionalidade de um RC estão relacionadas ao seu comportamento,
capacidade, inteligência, percepção, concepção e ações a serem tomadas. Muito desses
comportamentos poderão ou não ser perceptíveis ao usuário. O RC deverá fazer uma
constante observação nos fatores interno (forma de onda, consumo de bateria, poder
computacional, nível do sinal, etc.) e externo (condições do canal, outros rádios, tipos de
sinal, tipos de rede, etc.) a fim de sentir e recolher informações do ambiente de rádio. Após o
recolhimento dessas informações, o RC possuirá um núcleo inteligente que aprenda e registre
tais informações. Compreenderá como aplicar o conhecimento adquirido para que no futuro
ele antecipe aos acontecimentos do meio. Ou seja, toda vez que o RC perceber ações
repetitivas de comportamento de rádio, ele poderá ou não realizá-las automaticamente, de
acordo com o gosto do usuário. Explicará suas decisões e comportamento fornecendo uma
base racional, uma vez que nem todas as ações de um RC deverão agradar usuário. Respeitará
as restrições políticas, policiais e de segurança (Hospitais, Aeroportos, etc.). E por fim, deverá
24
ter um mecanismo de otimização e adaptação que altere o comportamento do rádio, para que
ele se adapte as exigências do meio.
Figura 5 - Fluxograma do Processo de Cognição.
A quantidade de situações que o sistema poderá criar deve ser ampliada, tomando
cuidado para não comprometer a segurança do sistema. Tudo isso será possível sem a
necessidade de menus complexos, sem sequências de ativação e sem processos de instalação.
Em tese, as principais funcionalidades dos Rádios Cognitivos são:
• Sensoriamento espectral;
• Gerenciamento espectral;
• Compartilhamento espectral;
• Mobilidade espectral;
• Comunicações militares.
Essas questões serão abordadas mais detalhadamente a seguir (nas próximas seções).
3.1 SENSORIAMENTO ESPECTRAL
O sensoriamento espectral permite a um RC procurar, analisar e saber usar a melhor
banda de frequência disponível, de tal modo a usar o espectro de frequência de maneira
otimizada e sem causar interferências nos usuários primários. O sensoriamento pode ser
realizado no domínio do tempo ou no domínio da frequência. As faixas onde se têm as
maiores oportunidades de uso do espectro são as faixas de canais de TV-VHF (very high
frequency), UHF (ultra high frequency), faixas ISM (Industrial, Scientific and Medical) e
canais de serviço público.
25
Na Figura 6, pode-se ver a varredura de frequência para a detecção.
Figura 6 - Fluxograma de Sensoriamento Espectral.
3.1.1 DETECÇÃO BASEADA EM INTERFERÊNCIA
A segmentação do espectro no Brasil, como já foi abordada no Capitulo 1, é realizada
pela ANATEL, que por sua vez realiza concessões para utilização das faixas aos usuários
chamados de usuários primários. Os usuários primários têm total prioridade sobre a faixa
adquirida, porém essa utilização ocorre de maneira ineficiente dependendo da hora e do dia.
Os chamados usuários secundários são usuários que usarão da tecnologia RC para utilização
das oportunidades no espectro. Como a prioridade do uso do espectro é dos usuários
primários, a utilização dos usuários secundários deve ocorrer sem provocar nenhuma
interferência prejudicial aos usuários primários. Então, o RC deverá ajustar o nível de
potência de transmissão do rádio de modo a minimizar ou até mesmo anular a interferência
causada no usuário primário.
Para que seja considerado um espectro livre para utilização por um usuário secundário,
a potência do sinal primário medido em uma determinada faixa de frequência deve estar
abaixo de um limiar de potência definido. Esse nível de interferência foi proposta pela FCC
(Federal Communications Commission) e é chamada de temperatura de interferência, dada
por onde ��(�� ·, ) é potência média de interferência de ruído medido em watts centrada em
��, K é a constante de Boltzmann e B é a largura de banda.
��(�� , ) =��(�� , )
26
Se a temperatura de interferência estiver abaixo do limiar, o usuário secundário está
liberado para utilizar o canal para fazer sua transmissão. Caso contrário o usuário secundário
deve manter sua potência somada ao ruído abaixo do limiar de interferência.
3.1.2 DETECÇÃO BASEADA EM TRANSMISSOR
Na detecção baseada em transmissor, existem diferentes formas de sensoriamento, umas
mais complexas que outras na questão de tecnologia usada para se fazer o sensoriamento e da
presença de um sinal em uma determinada banda espectral. Geralmente as técnicas mais
usadas na detecção são: detecção por filtro casado, detecção de energia e detecção ciclo
estacionária.
• Detecção por Energia: A maneira mais fácil de fazer o sensoriamento espectral é
realizar a detecção da energia do sinal, que é feito em cima do nível médio de energia
observado nas amostras medidas em um determinado instante de tempo, e analisar se a
relação sinal ruído desse sinal está abaixo ou acima de um limiar pré-estabelecido.
Uma das desvantagens da detecção por energia é que o limiar de detecção depende da
potência do ruído, e por ele ser variante no tempo é difícil medir com precisão em
tempo real.
• Detecção com filtro casado: Tendo a priori as informações do sinal do usuário
primário a detecção com o filtro casado é uma das técnicas mais eficientes. A ação é
composta pela correlação do sinal recebido com a sua réplica no correlator, com isso
irá ocorrer uma maximização da relação sinal-ruído.
Detecção de ciclo estacionário: A detecção ciclo estacionária surgiu da necessidade de
se ter uma maior confiabilidade na detecção dos sinais em relação ao ruído, pelo fato da
detecção por energia ser susceptível a erros. A detecção ciclo estacionária vem da análise das
amostras periódicas do sinal. Todas essas amostras o receptor tem condições de fazer uma
correlação ótima do sinal e conseguir fazer a detecção do sinal transmitido. Esse tipo de
detecção se torna mais robusta contra ruídos e interferências, ao contrário da detecção por
energia que usa o domínio do tempo para fazer suas aferições da energia. O detector de ciclo
estacionário primeiramente faz uma FFT (Fast Fourier Transform) e em seguida faz a sua
análise baseado (A análise – baseadA, o melhor seria: baseando-se) na função de auto
correlação e na densidade de potência desses sinais.
27
3.1.3 DETECÇÃO COOPERATIVA
A detecção cooperativa vem da troca de informações de múltiplos RCs, onde juntos
podem dar uma maior precisão no momento da detecção do sinal de um usuário primário em
uma determinada banda. Da detecção cooperativa surgiram à solução para os problemas da
percepção do espectro devido às incertezas na detecção do ruído, sombreamento e múltiplos
percursos. Há duas formas de detecção cooperativa, a detecção centralizada e a detecção
distribuída. Na detecção centralizada uma base secundaria reúne as informações dos usuários
secundários e detecta com segurança os espectros vagos. Na detecção distribuída os RCs
devem sempre trocar informação entre eles com o objetivo de sempre estarem de fazerem o
monitoramento, que na detecção centralizada esse processamento de informação era feito
numa central.
3.2 GERENCIAMENTO ESPECTRAL
O gerenciamento espectral é uma etapa que ocorre após a varredura espectral. Nela,
todas as informações obtidas das faixas de frequências vagas são comparadas com as do RC
para que posteriormente seja feita a alocação dos usuários secundários. O RC deverá perceber
as faixas disponíveis para que possa saber como e quando serão ocupadas. Com isso, o RC
poderá transmitir e receber informações numa variedade de frequências de modo a atender aos
parâmetros configurados pelo usuário.
No gerenciamento, outro fator relevante é a qualidade do sinal, que é estipulada por um
conjunto de vários parâmetros, sendo:
• Grau de interferência;
• Perda de propagação;
• Taxa de erro de bit;
• Capacidade do canal;
Assim, se atendidas às necessidades de cada usuário do RC, o acesso ao espectro deverá
ser negociado com os detentores da licença do espectro, se houverem, e só então será liberada
a faixa de frequência para o mesmo.
28
3.3 COMPARTILHAMENTO ESPECTRAL
O conceito de compartilhamento espectral vem da prática de vários usuários
secundários compartilharem a banda de um usuário primário. Para que isso aconteça, técnicas
de compartilhamento, para usuários licenciados e não licenciado são impostas. No
compartilhamento com usuários não licenciados no domínio da frequência, o RC faz o uso das
faixas de guarda para alocar o usuário secundário. No domínio do tempo os canais de mesma
frequências ficam distantes entre si para manter uma baixa interferência entre eles, sendo
necessário o usuário secundário respeitar o nível de potência para que junto com o ruído não
degrade a relação sinal ruído do usuário principal.
Em contra partida o usuário primário em locais onde seu espectro é ocioso, é leiloado
seu espectro nesse local para que usuários secundários façam o uso desse espectro nessa
região, sem precisar preocupar com o sinal principal.
3.4 MOBILIDADE ESPECTRAL
O RC deverá estar ciente de sua localização geográfica e perceber o que está
acontecendo, quando está acontecendo e sempre que necessário, determinar os parâmetros de
operação apropriados a serem utilizados. Deverá conhecer todas as redes sem fio disponíveis
como: WRANs (Wireless Regional Area Networks), WMANs (Wireless Metropolitan Area
Networks), WLANs (Wireless Local Area Networks). Necessitará ter uma interface de acesso
que compatibilize todos os tipos de tecnologias, respeitando aos protocolos de cada uma. Para
se ter o melhor desempenho do canal, esse sinal sempre terá que se adaptar aos parâmetros
para uma utilização otimizada dessa banda espectral, tais como potência de transmissão, da
frequência da portadora, do tipo de modulação e das operadoras disponíveis, com isso será
obtida uma melhor comunicação. Dando ao usuário a liberdade de escolha por um menor
custo, ou por uma melhor qualidade da ligação. Essa mobilidade dentro da banda espectral
deverá acontecer com a menor latência possível para que não haja degradação na
comunicação.
CONCLUSÃO 4.
Neste capítulo descrevemos a história dos RCs, como surgiram, os estudos e pesquisas
sobre esta nova tecnologia. Demonstramos de forma simplificada o funcionamento de um
RDS, sua aplicação e a importância desta tecnologia para o desenvolvimento dos RCs.
29
Definiu-se o significado de cognição e mostramos as dificuldades, funcionalidades e
expectativas dos RCs, tendo-se uma idéia clara da importância desta tecnologia, sua aplicação
e os desafios que terão que ser vencidos.
30
CAPÍTULO 3. DESAFIOS PARA IMPLEMENTAÇÃO DE RC
Este capítulo trará uma abordagem sobre os desafios para a implementação dos RC,
mostrando as principais dificuldades e possíveis soluções. Um desafio é a necessidade de
trabalhar com largura de faixa relativamente alta se comparada com as tecnologias atuais, o
que exige um sensoriamento em larga faixa do espectro. Para realizar tal sensoriamento, deve-
se levar em consideração elementos como amplificadores, filtros, antenas, conversores A/D e
D/A, técnicas de DSP e FPGA (field programmable gate array). A determinação de quais
softwares e hardwares devem ser aplicados na implementação destes elementos, é uma
questão de total influência no desempenho do sistema. Os elementos deverão ter uma elevada
gama de sintonia, pois o aumento de largura de banda provoca uma degradação da SNR
aumentando as dificuldades de implementação.
As próximas seções deste capítulo tratam-se dos elementos fundamentais para
implementação do RC. Elementos estes que são: DSP, FPGA, componentes adaptativos,
conversores A/D e D/A, filtros, amplificadores, conversores de frequência e antenas.
PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS - DSP 1.
O processamento digital de sinais utiliza dispositivos microprocessados que possuem
como especialidade o processamento digital de sinais, dispositivos estes que são capazes de
processar sinais de áudio, vídeo e dados, sendo em tempo real ou não. Como qualquer
processador, seu funcionamento é baseado em operações de adição, multiplicação e
transferência de memória, no entanto possuem algoritmos capazes de executar a uma alta
velocidade, instruções complicadas como operações matriciais, convoluções, FFT (Fast
Fourier Transform) e outros [15]. Outra vantagem do uso de DSP é a sua programação, uma
vez que o dispositivo pode ser programado tanto em linguagem de baixo nível quanto em
linguagem de alto nível. Vale ressaltar que cada família de DSP possui suas próprias
ferramentas de desenvolvimento e sua própria linguagem de baixo nível, que são
disponibilizadas pelo fabricante. Uma maneira interessante de criação de projetos de DSP é
através diagramas em blocos utilizando Matlab, Simulink e LabView desde que se tenha um
compilador compatível para ser usado em conjunto e executar o projeto de maneira
satisfatória [23].
31
Devido ao baixo consumo de energia, baixo preço e alta velocidade de processamento
que os DSP proporcionam em relação a outros microcontroladores, eles são muito utilizados
nas áreas de telecomunicações. A compressão e descompressão de sinais permitem ao RC
administrar varias chamadas simultâneas. Os filtros digitais permitem maior seletividade do
sinal desejado, possuem a vantagem de serem programáveis, não sofrem alterações com a
temperatura, trabalham bem com sinais de baixa frequência e estão sendo a aprimorados para
trabalharem com altas frequências. Uma característica importante de filtros que utilizam DSP
é a capacidade de se adaptar automaticamente às características de cada sinal, tornando-o um
elemento de grande relevância no processo de implementação de rádios cognitivos [10].
DISPOSITIVO LÓGICO PROGRAMÁVEL - FPGA 2.
O FPGA é constituído basicamente de um chip composto por um conjunto de portas
lógicas programáveis e flip-flops, é configurável por software, mas seu processamento é em
hardware. Pode suportar uma implementação de circuitos lógicos relativamente grandes e
complexos e podem ser aplicados na construção dos filtros digitais utilizados pelo RC. Os
pinos de entrada e saída são conectados em chaves programáveis de modo a permitir uma
reconfigurabilidade do sistema, pois com isso a disposição dos blocos pode ser alterada. Essa
reconfigurabilidade é o ponto chave dos FPGA para a aplicação em RC, pois a realização do
processamento em hardware muitas vezes é mais importante devido ao melhor desempenho e
esse processamento ocorre sem comprometer sua flexibilidade e agilidade [14].
COMPONENTES ADAPTATIVOS 3.
O RC baseando-se em uma plataforma de rádio analógico ajustável necessita de um
fron-end analógico, flexível e ajustável para o tratamento das diversas informações recebidas.
O front-end é a própria plataforma de rádio analógico ajustável, ele é uma interface entre as
informações de rádio recebidas e a plataforma de rádio digital reconfigurável (back-end). Ou
seja, ele é responsável por adequar tais informações à plataforma de rádio digital
reconfigurável para que a mesma possa processá-las. Para que esse processamento seja
possível, os elementos que compõem a plataforma de rádio analógico ajustável como filtros,
LNA (Low Noise Amplifier), AP (amplificador de potência) e as antenas, devem ser ajustados
para conseguir operar com todas as restrições impostas pela plataforma de rádio digital
reconfigurável [18].
32
A Figura 7 mostra o diagrama básico de uma plataforma de rádio analógico ajustável.
Nesta estrutura, os conversores A/D e D/A fazem parte da plataforma de rádio digital
reconfigurável. Já os filtros, os amplificadores, o sistema de antenas múltiplas ajustável, os
DD (dispositivos duplexing), o CGP (circuito de gerência de potência) e o SI (sintetizador de
impedância) fazem parte da plataforma de rádio analógico ajustável.
Figura 7 - Estrutura básica de um rádio analógico ajustável.
Na Figura 7, o bloco AP é responsável por amplificar o sinal a ser transmitido, esse
bloco será mais detalhado na Seção 3.3 deste capítulo; o DD é usado para separar os sinais de
transmissão dos sinais de recepção, ele exerce o papel de um circulador; o SI é usado para
adaptar as impedâncias das antenas; o CGP realiza o controle do nível dos sinais de saída e o
controle do ganho dos LNA.
As próximas subseções trazem uma abordagem mais detalhada dos conversores A/D e
D/A, dos filtros e dos amplificadores.
3.1. CONVERSÃO A/D E D/A
Conversores AD e DA são usados para converter sinais analógicos em sinais digitais e
digitais em analógicos. A construção do RC só é possível com a utilização de conversores
A/D e D/A de alta reconfigurabilidade. Para isso, esses dispositivos devem ser capazes de
realizar a conversão pelo método da superamostragem, onde amostras do sinal são amostradas
a uma taxa bastante elevada, capaz de digitalizar sinais na faixa de frequência de GHz. Além
da digitalização das amostras em faixas de frequências elevadas, outros obstáculos impostos
por esse hardware no desenvolvimento de Rádios Cognitivos tornaram-se agravantes, como o
Jitter de abertura, ruído térmico, ruído de quantização, distorções, etc. Esses limitantes
33
aumentam proporcionalmente com o aumento da taxa de amostragem, tornando os
conversores A/D e D/A um dos dispositivos de maior complexidade na configuração de um
Rádio Cognitivo [14].
Uma característica importante em conversores é sua taxa de amostragem que de acordo
com Nyquist, a taxa de amostragem deve ser duas vezes maior que a maior frequência do
sinal original. Sendo o RC um equipamento que trabalha com uma largura de faixa alta, é
notória a dificuldade de se conseguir conversores para operar nesta tecnologia. Problemas
como a capacidade de se obter a taxa de amostragem necessária para a recuperação do sinal
após a sua conversão e processamento que atenda a velocidade que o sistema de RC necessita.
Como o RC recebe diferentes ondas, com frequências de operação distintas e diferentes
larguras de faixa, necessita que se tenha a possibilidade de reconfiguração dinâmica dos
conversores para atender os diferentes sinais que chegam a ele. A taxa de amostragem pode
ser alterada com o uso de um clock de gestão, que é responsável pela geração e
disponibilização de qualquer tipo de sinal de clock. É necessário também que o sinal de clock
gerado esteja sem alterações pois desempenha um papel de extrema importância no rádio,
logo é necessário que este sinal satisfaça o nível de ruído mínimo exigido para o
funcionamento do RC.
Os conversores A/D e D/A aplicados em RC exigem uma monitorização dos parâmetros
relacionados a resolução, taxa de amostragem máxima, faixa dinâmica e distorção de fase.
Portanto nota-se a necessidade de um feedback para que o desempenho dos conversores
atendam as necessidades de transmissão adaptativa exigido pelos RC, sendo então capazes de
se reconfigurar corretamente de acordo com o sinal a ser amostrado e quantizado [18].
3.2. FILTRAGEM ADAPTATIVA
Em sistemas de RC são usados filtros adaptativos para a filtragem dos sinais, isso
devido a sua característica de modificar sua resposta automaticamente para aprimorar seu
desempenho durante o processo de operação. O parâmetro de desempenho desejado de tais
filtros no RC é baixa perda por inserção e excelente rejeição “fora da banda” (out-of-band).
Projetar tais filtros com as tecnologias atuais é uma tarefa desafiante, entretanto há algumas
aproximações bem sucedidas para este objetivo como o filtro ajustável eletronicamente [18].
Estes filtros são implementados usando a tecnologia LTCC (Low Temperature Co-Fired
34
Ceramics) que é utilizada para a produção de circuitos integrados híbridos, densamente
encapsulados em cerâmica [19].
3.3. AMPLIFICAÇÃO
Quando se fala em comunicação sem fio deve-se levar em consideração que quanto
maior o percurso, maior a degradação do sinal. Os AP são dispositivos utilizados com o
objetivo de amplificar o sinal a ser transmitido fazendo assim com que uma dada SNR
(relação sinal-ruído) desejada chegue a receptores distantes. Basicamente os AP são divididos
em dois grupos: Lineares e não-lineares.
• AP lineares são vantajosos quando o que se procura é uma linearidade de sinais com
vasta gama de valores de amplitude. Por outro lado, tem baixa eficiência energética
limitando suas aplicações em sistemas de comunicação sem fio.
• AP não-lineares podem alcançar uma melhor eficiência energética, mas com uma
péssima linearidade. Essa não linearidade provoca vários problemas como distorção e
produtos de intermodulação.
Uma das soluções para problemas com a ampla faixa dinâmica do sinal é a utilização da
técnica power back-off. Entretanto essa técnica aumenta o consumo de energia e sacrifica a
eficiência do sistema. Outra solução é o uso de técnicas para linearização digitais, que utiliza
algoritmos de linearização para adaptar os sinais a serem transmitidos [18].
Os amplificadores utilizados no processo de recepção de sinais, os LNA, assim como
nos demais sistemas de rádio, devem possuir uma boa FR (figura de ruído). Sua função é
amplificar o sinal recebido, inserindo o mínimo de ruído possível, uma vez que o sinal
recebido possui uma baixa SNR.
Um problema encontrado no processo de amplificação de é que quando se executa a
demodulação simultânea de diferentes sinais, as amplitudes que chegam ao LNA podem
possuir variações consideráveis de amplitude. Logo, a presença de um sinal no receptor com
alta amplitude seguido de outro sinal com baixa amplitude, causará um problema de
amplificação. Pois como LNA amplificará os dois sinais, o sinal com maior amplitude poderá
causar a sua saturação e/ou do conversor A/D. Esse fenômeno é conhecido como “blocking”
que é a impossibilidade de executar a demodulação correta do sinal de mais baixa amplitude
[2].
35
CONVERSÃO DE FREQUÊNCIA 4.
Os conversores UC (upconverters) e DC (downconverters) são idênticos, então esta
seção será baseada em cima do UC. Um UC básico é composto de um mixer (misturador) em
um software sintetizador de frequência ajustável. Esse misturador deve operar em uma ampla
faixa de frequência de entrada e também é desejável que o misturador tenha uma boa
capacidade de rejeição de frequência imagem. Além disso, as principais características dos
sintetizadores de frequência ajustáveis são ruído de fase extremamente baixo e a alta precisão
dos sintonizadores (tamanho reduzido do passo).
A principal fonte de ruído de fase é o clock de referência, este é gerado a partir de um
relógio ajustável e necessário para gerar sinais de clock com baixíssimo ruído de fase. O
sintetizador de detecção de sinal é geralmente monitorado pelo rádio digital que se certifica se
o sintetizador está travado na frequência desejada. Em caso de emprego de único estágio de
conversão, o oscilador local do sintetizador é necessário suportar uma larga faixa de
frequência.
Alternativamente, os conversores de múltiplos estágios podem ser empregados nos RC.
Com o emprego de múltiplos estágios de conversão, os requisitos mínimos para um bom
funcionamento do mixer e dos sintetizadores de frequência são diminuídos. Por exemplo,
osciladores locais podem ter faixa de frequências menores para converter o sinal para
qualquer portadora de frequência. Além disso, o desempenho do RC pode ser melhorado
através da supressão de harmônicos na saída dos UC com múltiplos passos.[18]
ANTENAS DE FAIXA LARGA 5.
As antenas são componentes essenciais de todo o sistema de rádio. Muitas das antenas
atuais são projetadas para operar em uma largura de faixa específica, entretanto no RC é
importante que a antena tenha características uniformes sobre uma larga escala de
frequências. Ou seja, a antena deve estar preparada para operar nas várias faixas de
frequências fornecidas pelo meio de comunicação. É nesse cenário que entra as antenas
inteligentes, antenas UWB (ultra-wideband) e os sistemas de antena MIMO (Multiple-Input e
Multiple-Output). Essas antenas fazem parte de uma nova gama de antenas reconfiguráveis
que hoje em dia já estão sendo empregadas em sistemas de comunicações atuais e certamente
também serão empregadas nos sistemas RC [18].
36
As antenas inteligentes (ou smart antennas) reduzem o nível da interferência
significativamente explorando a dimensão espacial. A idéia básica atrás da tecnologia de
antena inteligente é dar forma ao feixe da antena de tal maneira que o lóbulo principal seja
direcionado apenas ao usuário desejado [18]. A implementação deste método de transmissão e
recepção utiliza múltiplos elementos de antenas, onde na recepção cada elemento é acoplado a
um conversor A/D e cada conversor é acoplado a um DSP como mostra a Figura 8.
Figura 8 - Diagrama básico de uma antena inteligente.
O mesmo ocorre para a transmissão, o DSP é acoplado aos conversores D/A e cada
conversor é acoplado a cada elemento da antena. Os elementos da antena são capazes de
reconhecer e explorar o melhor canal de comunicação disponível no momento e adaptar este
canal ao usuário. Esta é a grande diferença em relação às antenas convencionais [20].
Os sistemas de antenas múltiplas são usados para explorar a dimensão espacial do
espectro através de transmissores e receptores múltiplos. Essencialmente, os sistemas de
antenas múltiplas podem ajudar a encontrar oportunidades espectrais e isso ajudará a explorar
inteiramente estas oportunidades aumentando então a capacidade e melhorando a eficiência
do sistema. Em alguns casos, em que uma determinada faixa do espectro não é tão ocupada e
disputada, as antenas múltiplas podem ser usadas para aumentar a taxa de transmissão. Além
disso, estes sistemas podem ser usados para compensar o efeito de sombreamento, a fim de
expandir a cobertura da rede e melhorar a eficiência de potencia [18].
CONCLUSÃO 6.
Neste capítulo foram abordados questões sobre os desafios para a implementação dos
RC, mostrando as principais dificuldades como: a necessidade de se realizar o sensoriamento
37
espectral em uma larga faixa de frequência; a utilização de DSP e FPGA; a necessidade de
uma alta reconfigurabilidade dos conversores A/D e D/A; as dificuldades de implementação
dos componentes ajustáveis da plataforma de rádio analógico ajustável como filtros,
amplificadores e conversores de frequência; e a necessidade de utilizar antenas com larga
faixa de operação.
Mostraram-se também as possíveis soluções para cada um destes fatores: os conversores
A/D e D/A devem trabalhar utilizando o método da superamostragem e sua taxa de
amostragem deve obedecer ao critério de Nyquist; os filtros devem utilizar a tecnologia de
filtro ajustável eletronicamente que são implementados usando a tecnologia LTCC; os
amplificadores devem utilizar da técnica de power back-off ou da técnica de linearização
digital; os conversores de frequência utiliza a técnica de múltiplos estágios de conversão,com
isso os requisitos mínimos para um bom funcionamento do mixer e dos sintetizadores de
frequência são diminuídos; e as antenas utilizam as tecnologias de antenas inteligentes,
antenas UWB e os sistemas de antena MIMO.
38
CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES DE RÁDIOS COGNITIVOS
Neste capítulo serão explanadas algumas aplicações do RC, tais como: acesso dinâmico
do espectro, acesso banda larga em regiões de baixa densidade populacional, recursos para
guerra tecnológica, utilização em segurança pública e interatividade com os usuários.
ACESSO DINÂMICO DO ESPECTRO 1.
Atualmente, como já foi abordado, o espectro é dividido a partir de leilões e as faixas de
frequência são designadas a diferentes tipos de serviços para que não haja interferência entre
os sinais transmitidos. Como exemplo pode se dizer que a faixa de frequência é como uma
propriedade privada, isso implica que o proprietário do espectro é o único com poder de
transmissão nesta faixa. A fiscalização deste espectro é feita rigorosamente pela ANATEL
para que não existam sinais interferentes de outros prestadores de serviço degradando o sinal
de direito desta faixa.
Com conceitos de RDS, antenas múltiplas e técnicas com o uso de multiportadoras,
surge uma tecnologia na área de comunicação que tem como principal foco sanar a escassez
do espectro eletromagnético. Tecnologia esta chamada de Rádio Cognitivo. Com o uso de RC
a perspectiva de uso do espectro muda completamente, deixando os proprietários de faixas do
espectro capazes de negociar frequências inutilizadas em determinados momentos em um
mercado secundário. Não existindo assim uma utilização exclusiva da porção do espectro que
possui, aumentando relativamente à possibilidade de novos serviços de comunicação
operando em faixas de frequência que pertenciam a outro serviço. O rádio será responsável
por uma varredura do espectro, sendo o mesmo capaz de adequar o sinal em potência,
modulação e frequência para que seja possível sua transmissão em uma frequência
desconhecida para o gerador primário do sinal. A Figura 9, Figura 10 e Figura 11, mostram
passo a passo a detecção dinâmica do espectro.
Figura 9 - RC alocado em faixa disponível do espectro aguardando solicitação.
39
Figura 10 - Sinal de TV solicita faixa de espectro disponível ao RC.
Figura 11 - RC libera espectro para o sinal de TV e se aloca em outra parcela.
ACESSO BANDA LARGA EM REGIÕES DE BAIXA DENSIDADE POPULACIONAL 2.
O serviço de banda larga disponível atualmente atende em especial grandes centros
urbanos e suburbanos, não tendo disponibilidade de serviço para população rural e de locais
com pequena densidade populacional. Mesmo em lugares precários que possuem a
disponibilidade do serviço, o custo para o usuário ainda é alto, o que gera uma baixa procura
do consumidor pelo serviço. Para reverter este quadro, pretende-se usar os canais de TV
vagos na faixa de VHF e UHF, ocupando frequências entre 54MHZ e 862MHZ, fornecendo
assim uma possibilidade de implantação de sistemas Wi-Fi (Wireless Fidelity), em áreas
rurais e de densidade populacional baixa.
O uso de canais de TV foi escolhido por manter uma alta relação sinal ruído, esta alta
relação simplifica a detecção do espectro sobre canal ocupado/desocupado, facilitando assim
a escolha do rádio por uma faixa de frequência disponível. Outro fator é que a maioria das
emissoras de TV opera em regime contínuo, não mudando de posição geográfica ou de canal
de frequência facilitando a detecção de faixas livres no espectro de frequência. A Figura 12
mostra uma planta de como seria a utilização de canais de TV para implantação de Banda
Larga e Telefonia em áreas de baixa densidade populacional.
40
Figura 12 - Reuso do Espectro em Redes Cognitivas.
RECURSOS PARA GUERRA TECNOLÓGICA 3.
Outro campo que pode ser beneficiado com aplicações de RC é o de comunicações
militares, isto ocorre devido as suas características cognitivas e seu alto nível de
reconfigurabilidade. O alto nível de reconfiguração deste tipo de rádio garante uma facilidade
maior nos seus parâmetros de operação.
Um requisito importante a ser dito sobre o RC é sua alta capacidade de sigilo e
confiabilidade da informação, o que para comunicações militares é de grande importância
para se obter uma comunicação segura. Além de confiabilidade o RC pode ser usado para
interceptar sinais de comunicação do inimigo devido as suas funções de sensoriamento.
Atualmente, as comunicações sem fio são de grande valor em áreas de conflito. A
capacidade de se comunicar em sigilo e de destruir a comunicação do inimigo é de muita
importância para as forças armadas. Este tipo de ataque é chamado de Guerra Eletrônica, que
possui como objetivo destruir as comunicações inimigas, quebrar o sigilo das informações do
41
rival e o mais importante que é garantir uma comunicação segura para a sua base. Estes
pontos podem ser solucionados com o uso da tecnologia RC devido as suas características que
são: capacidade de gerenciar dispositivos que podem impedir um possível bloqueio das
comunicações, ajustes das formas de onda da informação, ajustes na frequência e na potência.
Assim evitando uma possível interceptação do inimigo e aumentando a confiabilidade da
comunicação entre os membros de uma mesma equipe.
UTILIZAÇÃO EM SEGURANÇA PÚBLICA 4.
Duas aplicações têm destaque no uso de RC para segurança pública. A primeira é a
capacidade cognitiva do rádio de reconhecer a disponibilidade de espectro e se reconfigurar
para utilização do mesmo proporcionando uma comunicação eficiente. A segunda é o grande
poder de interoperabilidade entre os sistemas de comunicação. Como exemplo pode-se
analisar um cenário de desastre natural, onde acontecesse um problema com as comunicações
de centros de alta prioridade como: hospitais, bombeiros, polícia, governo. Ao reconhecer esta
situação o rádio imediatamente usaria sua capacidade de se reconfigurar para liberar a
comunicação entre estes centros, sendo eles analisados pelo rádio como de alta prioridade.
INTERATIVIDADE COM USUÁRIOS 5.
O mercado de tecnologia hoje em dia está cada vez mais inovador, a interatividade entre
usuário e equipamentos eletrônicos é explorada cada vez mais. A TV Digital, por exemplo, o
telespectador possui recursos de interação como: informações sobre o programa que será
transmitido, compra pelo controle remoto de produtos que são apresentados na programação,
visualiza páginas de internet e troca de informações entre ele e a emissora.
Com o uso da tecnologia RC em aparelhos celulares a interação se tornaria viável, já
que a procura por smartphones e a busca por se manter conectado a internet o tempo todo é
cada vez mais freqüente entre os usuários. O rádio agiria de forma a listar maneiras de
estabelecer a comunicação como: uso de Skype, ligação tarifada, mensagem de texto, e-mail;
oferecendo também informações sobre a qualidade e custo sobre cada serviço de comunicação
disponível. Deixando o usuário responsável, por exemplo, pela escolha de uma comunicação
mais barata ou mais eficiente naquele determinado momento.
42
CARACTERÍSTICAS DO RC PARA ATENDER AS APLICAÇÕES 6.
Este tipo de rádio possui uma capacidade de alterar sua frequência de operação,
podendo assim aumentar seu desempenho de comunicação, aperfeiçoando o uso do espectro
de frequência. Tem a habilidade de sensoriar sinais de transmissores próximos, conseguindo
assim escolher o ambiente ótimo de operação, possibilitando então a seleção dinâmica de
freqüência. Consegue explorar melhor o uso do espectro devido a sua característica de mudar
a forma de onda do sinal, adaptando a modulação de maneira a deixar o sistema mais robusto
para comunicação. Tem capacidade de controlar a potência de transmissão, transmitindo
potências mais altas quando necessário e restringindo a potência a níveis mais baixos quando
possível, permitindo o compartilhamento do espectro. Determina a sua localização e a de
outros rádios através do reconhecimento de posição geográfica, podendo assim determinar se
é permitido ou não a transmissão de determinados sinais.
43
CAPÍTULO 5. CONCLUSÃO
Nos dias atuais a preocupação com a melhoria das comunicações, faz com que novas
tecnologias sejam desenvolvidas para que ocorra uma melhora na transmissão de dados, voz e
vídeo. Em 1998, Mitola, baseado em seus estudos propôs uma nova e interativa tecnologia,
que proporcionaria um grande avanço em diversas áreas dentre elas o aproveitamento do
espectro magnético. No entanto outras tecnologias e modelamentos matemáticos foram
fundamentais e de grande valia para que pudesse ser tirados conceitos de aplicação e
desenvolvimento dos RCs. Tais tecnologias como RDS, filtro casado, multiplexação OFDM,
salto de frequência, transformadas de Fourier e outros. Somente então podemos descrever a
cronologia histórica dos Rádios Cognitivos, seus conceitos sobre suas características, seu
funcionamento e suas aplicações.
O RC por ser uma tecnologia recente, tem em seus estudos e pesquisas, a proposta para
ser a solução dos problemas de escassez do espectro de radiofreqüência, na melhoria da
qualidade das comunicações sem fio e na diminuição de interferências entre os dispositivos de
rádios, e como conseqüência, um menor custo pela utilização desse serviço. Mesmo tendo
como base à otimização do espectro de frequência, a implantação dos RCs vai além,
proporcionando para cidades com baixa densidade populacional, onde se têm espectros de
frequências ociosos, serem unidas ao acesso a banda larga entre outros serviços que trará uma
maior flexibilidade e inter-conectividade aos usuários. Sobretudo a tecnologia dos RCs virá
para ser um marco no crescimento da capacidade de tráfego de informação. Onde um passo
errôneo em qualquer parte do sistema pode trazer a tona grandes problemas para os usuários
primários que fazem o uso preferencial desse espectro. Sendo que a tecnologia dos RCs seja
uma tecnologia confiável e inteligente, é possível um avanço em todas as áreas relacionadas a
comunicação.
44
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