TCC - RC_FuturasGeracoes
44
Instituto Nacional de Telecomunicações CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Utilização de Rádios Cognitivos nas Futuras Gerações de Sistemas de Comunicação Sem Fio Altieres Mariano Martins Frederico José de Souza Gomes Messias de Oliveira Ricardo Emílio da Silva Julho de 2013
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Trabalho de conclusão de curso de Graduação em Engenharia Elétrica.
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Instituto Nacional de Telecomunicações
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
Utilização de Rádios Cognitivos nas Futuras Gerações de
Sistemas de Comunicação Sem Fio
Altieres Mariano Martins
Frederico José de Souza Gomes
Messias de Oliveira
Ricardo Emílio da Silva
Julho de 2013
ii
UTILIZAÇÃO DE RÁDIOS COGNITIVOS NAS FUTURAS GERAÇÕES DE SISTEMAS DE
COMUNICAÇÃO SEM FIO
Altieres Mariano Martins
Frederico José de Souza Gomes
Messias de Oliveira
Ricardo Emílio da Silva
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
2013
iii
iv
FOLHA DE APROVAÇÃO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado e aprovado em 05/07 /2013 pela comissão
julgadora:
v
A nossas famílias.
vi
AGRADECIMENTOS
Agradecemos primeiramente a Deus pelas nossas vidas e pelo conhecimento e
sabedoria que nos proporcionou para concluir este trabalho, e agradecemos as nossas famílias
que nos apoiaram durante esses cinco anos de estudos.
A todas as pessoas que de alguma forma nos ajudaram com sua amizade e conselhos
que vão ficar em nossas memorias para sempre, fica o nosso, muito obrigado.
Um agradecimento especial ao professor Dr. Luciano Leonel Mendes, nosso
orientador que nos ajudou muito com sua dedicação e conhecimento, orientando-nos de como
fazer um bom trabalho de conclusão de curso.
A todo o corpo docente do Instituto Nacional de Telecomunicações, que não mediram
esforços em nos passar seus conhecimentos adquiridos em anos de muitas pesquisas e árduos
trabalhos. Em especial ao professor Dr. Rausley Adriano Amaral de Souza, professor Dr. José
Marcos Câmara Brito, e ao Professor Msc Anderson Daniel Soares que muito nos auxiliaram nos
ouvindo e aconselhando.
vii
RESUMO
O objetivo deste trabalho é apresentar a utilização de rádios cognitivos nas futuras
gerações de sistemas de comunicação sem fio. Contém os princípios de rádio cognitivo,
mostrando sua importância e o porquê se estuda esta tecnologia, que tem em seu sistema o
SDR, que também está sendo mostrado no trabalho e quais são as vantagens que o rádio
cognitivo tem em relação ao SDR. Algumas formas de sensoriamento espectral também são
apresentadas, mostrando como é feito a varredura no espectro para que possa ser realizado o
compartilhamento do canal sem afetar o usuário primário, que detém o uso do canal. Algumas
plataformas para implementação do rádio cognitivo também serão apresentadas.
Alguns padrões para implementação do rádio cognitivo serão mostrados de forma que
se possa entender o seu funcionamento dentro do rádio cognitivo, mostrando como o padrão
operava antes e como ele opera junto do rádio cognitivo. O padrão IEEE 802.22 foi o
primeiro padrão de comunicação de dados sem fio a empregar o conceito de rádio cognitivo,
para viabilizar o acesso dinâmico ao espectro de forma oportunista. Outro padrão que está em
processo de desenvolvimento é o padrão IEEE 802.11af, que tem por objetivo operar na faixa
de UHF juntamente com os canais de TV. Isto é possível com a utilização das características
do rádio cognitivo, que tem como principal função fazer o sensoriamento do espectro,
verificando possíveis canais que estão livres que possam ser utilizados para que se possa fazer
à agregação de canais necessária à vazão do usuário secundário.
A tecnologia rádio cognitivo também possui uma parcela de contribuição no
desenvolvimento das redes 4G de telefonia móvel. O padrão LTE foi proposto como evolução
do sistema móvel, porém a sua nova versão LTE Advanced considera o rádio cognitivo para
atender a demanda de dados. O WiMAX 2.0, desenvolvido para ambiente móvel com base no
padrão IEEE 802.16m, também possui correlação com rádio cognitivo e apresenta
modificações com o objetivo de atender os requisitos das redes 4G.
Palavras-chaves: 4G; Alocação de Subportadoras; Modulação Adaptativa; Rádio
Cognitivo; Sensoriamento Espectral;
viii
ABSTRACT
The objective of this paper is to present the use of cognitive radios in future
generations of wireless communication systems. Contains the principles of cognitive radio,
showing its importance and why studying this technology, which has in its system the SDR,
which is also being shown at work and what are the advantages that cognitive radio has over
the SDR. Some forms of spectral sensing are also presented, showing how it is done by
scanning the spectrum so it can be held to share the channel without affecting the primary
user, which owns the channel usage. Some platforms for the implementation of cognitive
radio will also be presented.
Some standards for the implementation of cognitive radio is being displayed so that
they can understand its operation within the cognitive radio, showing how the standard
operating before and how it operates along the cognitive radio. The IEEE 802.22 standard was
the first wireless data communication to employ the concept of cognitive radio, to enable
dynamic access to spectrum opportunistically. Another standard that is under development
will IEEE 802.11af, which aims to operate in the UHF band with TV channels, it is possible
with the use of the characteristics of cognitive radio which has the main function to the
sensing the spectrum for possible channels which are free which can be used can be done so
that the aggregation of channels required output secondary user.
Cognitive radio technology also has a share of contribution in the development of 4G
mobile networks. The LTE standard has been proposed as an evolution of the mobile system,
but its new version LTE Advanced consider the cognitive radio to meet demand data.
WiMAX 2.0, developed for mobile environment based on IEEE 802.16m, also has correlation
with cognitive radio, and presents changes in order to meet the requirements of 4G networks.
Keywords: 4G; Allocation of subcarriers; Adaptive Modulation; Cognitive Radio, Spectrum
Sensing;
ix
ÍNDICE
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................. 10
LISTA DE TABELAS ............................................................................................................ 11
LISTA DE ABREVIATURAS ............................................................................................... 12
LISTA DE SÍMBOLOS ......................................................................................................... 15
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO .......................................................................................... 16
1. HISTÓRICO DO RÁDIO COGNITIVO ..................................................................... 17
2. NOVOS PADRÕES DE COMUNICAÇÃO SEM FIO. .............................................. 17
3. MOTIVAÇÃO .............................................................................................................. 19
4. OBJETIVOS ................................................................................................................. 19
5. ESTRUTURA DO TRABALHO ................................................................................. 19
CAPÍTULO 2. INTRODUÇÃO À TECNOLOGIA DE RÁDIO COGNITIVO ............ 20
1. PRINCÍPIOS DE RÁDIO COGNITIVO ..................................................................... 20
2. SENSORIAMENTO ESPECTRAL. ............................................................................ 21
3. RÁDIO COGNITIVO E RÁDIO DEFINIDO POR SOFTWARE .............................. 22
4. PLATAFORMAS PARA IMPLEMENTAÇÃO DE RÁDIO COGNITIVO .............. 24
5. CONCLUSÕES ............................................................................................................ 26
CAPÍTULO 3. PADRÕES DE COMUNICAÇÃO SEM FIO BASEADOS EM RÁDIO
COGNITIVOS... ..................................................................................................................... 27
1. IEEE 802.22 .................................................................................................................. 27
2. IEEE 802.11AF ............................................................................................................. 29
3. LTE ADVANCED ........................................................................................................ 30
4. IEEE 802.16M .............................................................................................................. 36
5. CONCLUSÃO .............................................................................................................. 38
CAPÍTULO 4. CONCLUSÕES .......................................................................................... 39
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 40
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Medição da Ocupação do Espectro. .......................................................................... 16
Figura 2. Exemplo de Rede Cognitiva. .................................................................................... 20
Figura 3. Ciclo do rádio cognitivo. ........................................................................................... 21
Figura 4. Estrutura básica do SDR. .......................................................................................... 23
Figura 5. Comparação entre OFDM e OFDMA. ...................................................................... 28
Figura 6. Influência da largura de banda na vazão do padrão LTE utilizando a configuração
MIMO 2X2. .............................................................................................................................. 32
Figura 7. Espectro subutilizado. ............................................................................................... 33
Figura 8. Espectro distribuído em função da resposta em frequência do canal........................ 33
Figura 9. Vazão do sistema LTE em função do arranjo do sistema MIMO. ............................ 35
Figura 10. Relay Node utilizando torres e os próprios usuários como repetidores do sinal. ... 36
Figura 11. Alocação de subportadoras de um algoritmo de maximização da vazão de dados. 37
Figura 12. 802.16m modo Mesh ............................................................................................... 38
xi
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Principais características da camada física do padrão IEEE 802.22. ........................ 29
Tabela 2 Principais parâmetros para o padrão IEEE 802.11af. ................................................ 30
Tabela 3 Principais características do LTE. ............................................................................. 31
Tabela 4. Características do padrão IEEE 802.16m. ................................................................ 36
xii
LISTA DE ABREVIATURAS
3GPP Third Generation Partnership Project
4G Quarta geração.
Abert Associação Brasileira de Emissoras de Rádio e Televisão.
ANATEL Agência Nacional de Telecomunicações.
A/D Analógico para Digital.
BER Bit Error Rate
CORBA Commun Object Request Broker Architecture.
CTC Convolutional Turbo Codes.
D/A Digital para Analógico.
DFT Discrete Fast Fourier.
DL
ERB
Downlink.
Estação Rádio Base
EUA Estados Unidos da América.
FCC Federal Communications Commission.
FDD Frequency Division Duplex.
FFT Fast Fourier Transform.
FPGA Field-Programmable Gate Array.
GPL General Public License.
xiii
IEEE Institute of Electric and Electronic Engineers.
IMT International Mobile Telecommunications.
ITU International Telecommunication Union.
LTE Long Term Evolution.
MAC Media Access Control.
MIMO Multiple Input Multiple Output.
MU-MIMO Multiuser Multiple Input Multiple Output.
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing.
OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access.
OSSIE Open Source SCA Implementation Embedded.
PHY Physical Layer.
QAM Quadrature Amplitude Modulation.
QoS Quality of Service.
QPSK Quadrature Phase Shift Keying.
RDP Rádio Digital Programável.
RF Radiofrequência.
SC-FDMA Single Carrier - Frequency Division Multiple Access.
SCA Software Communications Architecture.
SDR Software Defined Radio.
SNR Signal to Noise Ratio.
xiv
TDD Time Division Duplex.
TDMA Time Division Multiple Access.
TFFT Time Fast Fourier Transform.
TTI Time Transmission Interval.
TV Televisão.
EU User Equipment.
UL Uplink.
UHF Ultra High Frequency.
USRP Universal Software Radio Peripheral.
White-FI Space-White.
Wi-Fi Wireless Fidelity.
Wi-MAX Worldwide Interoperability for Microwave Access.
WiNC2R Winlab Network Centric CR.
WRAN Wireless Regional Area Network.
xv
LISTA DE SÍMBOLOS
Rb Taxa de bits.
16
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
Em consequência da elevada demanda da utilização da conectividade sem fio, o
espectro de frequências, que é um recurso natural limitado, se esgota a cada dia, dificultando
cada vez mais implantações de redes sem fio, ou até mesmo o aumento da capacidade das já
existentes. Esse problema precisa ser superado a fim de possibilitar o contínuo avanço das
telecomunicações [1]. Não procurar uma solução para esse problema, seria como se ficar
parado no tempo no que diz respeito ao crescimento tecnológico de modo geral, uma vez que
qualquer tecnologia que venha a ter como base o uso do espectro de frequência não seria
viável, já que o mesmo estaria bloqueado para novas aplicações.
A questão da ocupação espectral se torna um ponto importante quando há escassez
desse recurso. Como mostra a Figura 1, reproduzida de [2] com autorização do autor, e
também em [3] os autores verificaram que a maioria das aplicações não ocupa a sua banda
licenciada em 100% do tempo. Isso significa que embora uma determinada faixa do espectro
esteja restrita ao uso de uma dada tecnologia, esta faixa não é efetivamente utilizada durante
longos períodos de tempo. Essa constatação abre espaço para uma nova forma de utilização
do espectro de frequências, denominada de acesso dinâmico ao espectro [4]. Para que um
terminal possa acessar o espectro de forma oportunista é necessário que o mesmo tenha
conhecimento das condições espectrais na região em que se encontra. Essa capacidade de
análise e de conhecimento das condições espectrais está associada aos Rádios Cognitivos [5].
Figura 1. Medição da Ocupação do Espectro.
17
A tecnologia de Rádios Cognitivos nasceu no fim do século XX e está sendo
considerada nos futuros padrões de comunicação sem fio e, por esta razão, vem sendo
amplamente estudada e desenvolvida em diversos centros de pesquisa no mundo.
1. HISTÓRICO DO RÁDIO COGNITIVO
Um sistema de radiocomunicação digital clássico é formado por um conjunto de
circuitos eletrônicos que realizam procedimentos que não podem ser alterados ao longo do
tempo. Tipicamente, estes rádios podem operar dentro de uma larga faixa de frequências, mas
a mudança de uma faixa de operação para outra requer a intervenção de um operador humano
e, normalmente, resulta em queda do enlace de comunicação durante a mudança [6]. Em 1993
Joseph Mitola iniciou os estudos sobre SDR (Software Defined Radio) [7] que é um rádio
definido por software, capaz de mudar os procedimentos realizados durante a comunicação de
forma dinâmica e sem a necessidade de mudança do hardware. Em 1999, Joseph Mitola
utilizou o conceito de cognição, que é o processo de tomar decisões e resolver problemas
através da aquisição de conhecimentos com experiências passadas [8], para propor uma nova
classe de rádios, capazes de identificar canais ociosos e utilizá-los de forma oportunista. Estes
rádios também são capazes de perceber quando um usuário primário [9] inicializa a utilização
do canal e, após esta constatação, o rádio cognitivo é capaz de mudar de faixa de operação
sem causar interferências nos detentores da licença de uso do canal. Desta forma, a tecnologia
de rádio cognitivo possibilita o uso mais eficiente do espectro de frequências, pois explora os
canais de comunicação destinados a outros serviços apenas enquanto estes estão ociosos.
2. NOVOS PADRÕES DE COMUNICAÇÃO SEM FIO.
A evolução das técnicas de comunicação sem fio permite o surgimento de novos
padrões a uma alta velocidade. Não são incomuns novas versões de padrões de comunicação
sem fio consolidados serem anunciadas praticamente todos os anos, tal como é possível
observar com o Wi-Fi (Wireless Fidelity) [10]. O advento da tecnologia de rádio cognitivo
está motivando o surgimento de uma nova série de padrões de comunicação sem fio que
visam atender as mais diferentes demandas da sociedade moderna.
O padrão IEEE 802.22 [11] foi o primeiro padrão de sistema de comunicação de dados
sem fio a empregar o conceito de rádio cognitivo. Este padrão foi baseado no Wi-MAX
(Worldwide Interoperability for Microwave Access) [12], mas visa atender grandes áreas de
18
cobertura em uma rede sem fio regional (WRAN – Wireless Regional Area Network) [13]
empregando os canais de TV de UHF não utilizados. Este padrão é uma solução interessante
para viabilizar acesso à Internet em regiões de baixa densidade populacional, como áreas
rurais e regiões limítrofes de grandes centros, ou seja, regiões pobremente atendidas pelas
tecnologias de acesso à Internet convencional [11].
Já o padrão IEEE 802.11af [14] também denominado de White- FI é uma derivação do
padrão Wi-Fi que opera de forma oportunista na faixa de UHF. Este padrão busca utilizar as
excelentes condições de propagação da faixa de UHF para viabilizar maiores áreas de
cobertura sem visada direta. A tecnologia de rádio cognitivo será empregada para evitar que
os sinais deste padrão causem interferência nos sinais de TV [14].
A tecnologia de rádio cognitivo também está afetando os sistemas de quarta geração
(4G) [15] de telefonia móvel celular. O LTE (Long Term Evolution) [16], foi desenvolvido
para prover altas taxas de transmissão. No entanto, sua nova versão, denominada de LTE
Advanced[16], já considera a utilização de técnicas de rádio cognitivo para explorar a
utilização da faixa de UHF.
Já o IEEE 802.16m, que é a mais recente atualização do padrão Wi-MAX, também
considera a utilização da ocupação oportunista do espectro [17].
Assim, espera-se que haja uma consolidação em torno desta nova forma de utilizar o
espectro de frequência nos futuros sistemas de comunicação sem fio, o que irá exigir
mudanças nas formas de outorgas e fiscalização do uso do espectro por parte dos órgãos
reguladores, no Brasil a ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações) é o órgão a que
compete à regulamentação do setor de telecomunicações.
Com base nas necessidades de avanços rumo a soluções para a crescente demanda do
uso de comunicação sem fio, o FCC (Federal Communications Commission) [18], órgão
responsável pelas regulamentações dos sistemas de comunicações dos EUA (Estados Unidos
da América), permitiu em 2008, para uso não licenciado, a utilização dos intervalos em
branco de frequências entre os canais de TV analógica. Em 2010, aprovou regras para uso
desses intervalos e dos canais liberados da TV Digital [19].
Uma grande dificuldade da ANATEL para regulamentar a operação do rádio cognitivo,
é garantir que não ocorram interferências na operação primária. Segundo as normas da
19
ANATEL, a utilização da frequência do operador primário na mesma área de concessão (ou
em qualquer área) por um usuário que não possua a concessão, implica em uma infração em
que a legislação determina ao infrator o desligamento de seus equipamentos para não
interferir na operação primária, que não pode sofrer a interferência de qualquer outro sinal
[20].
Outra preocupação da ANATEL e de técnicos da Abert (Associação Brasileira de
Emissoras de Rádio e Televisão), para o uso de rádio cognitivo, é a garantia de que a
tecnologia possua a capacidade de encontrar problemas relacionados à interferência na
recepção do serviço de rádio difusão [19].
3. MOTIVAÇÃO
Para os profissionais que atuam na área de telecomunicações, é de suma importância o
estudo da influência do rádio cognitivo nos próximos padrões de comunicação sem fio. Por
intermédio desta tecnologia serão abertos novos horizontes, como por exemplo, a melhor
utilização do espectro eletromagnético e taxas de transmissão mais elevadas que o mesmo
viabiliza, pelo fato de, por exemplo, utilizar um esquema de modulação adaptativa.
4. OBJETIVOS
Este trabalho tem como objetivo a apresentação da tecnologia Rádio Cognitivo nas
futuras gerações de sistemas de comunicações sem fio, explorando os impactos na sociedade
causados por esta nova forma de utilizar o espectro de frequências.
5. ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho está dividido em quatro capítulos, organizados da seguinte forma:
O Capítulo 2 apresenta os princípios do rádio cognitivo. O Capítulo 3 aborda os padrões
de comunicações sem fio que são baseados em rádio cognitivo e, finalmente, o Capítulo 4 traz
as conclusões e considerações finais do trabalho.
20
CAPÍTULO 2. INTRODUÇÃO À TECNOLOGIA DE RÁDIO
COGNITIVO
Este capítulo mostra a importância do rádio cognitivo como solução para melhor
utilização do espectro, bem como mostra que o conceito de SDR está ligado com o rádio
cognitivo, mostrando algumas formas de sensoriamento e algumas plataformas para
implementação do mesmo.
1. PRINCÍPIOS DE RÁDIO COGNITIVO
Como alternativa para resolver o problema de escassez espectral, o rádio cognitivo
usufrui de sua capacidade de compartilhar o espectro eletromagnético. Duas características
básicas do rádio cognitivo são a capacidade cognitiva e a reconfigurabilidade. Um rádio com
a capacidade cognitiva é capaz de conhecer o meio em que se opera, pois este rádio tem como
principal diferencial, em relação aos demais, o fato de transmitir como usuário secundário (ou
não licenciado) na faixa de frequência do usuário primário (ou licenciado) [9] de forma
oportunista [21], nos espaços espectrais não utilizados, ou não utilizados em 100% do tempo
[3]. A Figura 2 ilustra uma rede cognitiva, onde a qual além de não provocar interferência no
usuário primário, libera a faixa quando o usuário primário volta a transmitir, mas para isso é
necessário usufruir de sua reconfigurabilidade para se adequar ao próximo canal que será
alocado. E este evento de conhecimento e aprendizagem, que é realizado por meio de
sensoriamento espectral, é um dos mais importantes fatores para a viabilidade e
funcionamento da tecnologia rádio cognitivo, como mostrado a seguir e também em [3].
ERB IEEE 802.22
Wi-FI
Rede Primária
Rede Cognitiva
Canal A
Receptor de TV
Canal A
Receptor de TV
Canal A
Sensoriamento
Sensoriamento
Figura 2. Exemplo de Rede Cognitiva.
21
A Figura 3 ilustra o ciclo do rádio cognitivo. Este ciclo é iniciado com o sensoriamento
espectral, onde informações sobre os canais livres e ocupados são levantadas. Os dados
provenientes do sensoriamento são processados e armazenados no ciclo de aprendizagem,
onde as estatísticas dos diversos canais são observadas para guiar as decisões sobre ocupação
oportunista. Uma vez determinado que um dado canal possa ser alocado de forma oportunista
por um dado intervalo de tempo, o rádio altera suas características de transmissão e recepção
para se adequar às condições de comunicação do novo canal. O processo de sensoriamento de
canal é realizado periodicamente para certificar que um usuário primário não iniciou a
comunicação no canal em uso pelo rádio cognitivo e também para determinar novas
oportunidades de transmissão em outros canais ociosos.
Espectro eletromagnético
Sensoriamento
espectral
Aprende
DecideSe adapta ao meio
Figura 3. Ciclo do rádio cognitivo.
2. SENSORIAMENTO ESPECTRAL.
O método de sensoriamento espectral tem como objetivo distinguir quais canais de
comunicação estão livres e quais estão ocupados [22]. O sensoriamento espectral deve ser
periodicamente realizado dentro da largura de faixa ocupada pelo rádio cognitivo para evitar
que haja interferência com um usuário primário cuja transmissão iniciou-se depois do rádio
cognitivo alocar o canal. Isso significa que o rádio cognitivo deve suprimir a sua comunicação
de tempos em tempos para realizar o sensoriamento do canal. Esta atividade acaba por reduzir
a vazão do rádio cognitivo [23].
22
Outra questão relevante é o problema do usuário primário oculto, que é causado por
algum desvanecimento profundo (propagação por múltiplos percursos), assim o rádio
cognitivo pode ver aquele instante de tempo como uma oportunidade de transmissão
ocasionando assim uma colisão com o usuário primário. Uma possível solução para amenizar
este problema seria a utilização do sensoriamento colaborativo/distribuído, onde os usuários
secundários compartilham informações provenientes do sensoriamento, reduzindo a
possibilidade da não detecção de um usuário primário. Este tipo de sensoriamento pode ser
centralizado, onde todos os usuários enviam os dados do sensoriamento para um nó central
responsável pela tomada de decisão, ou distribuído, onde as decisões são tomadas pelos nós
sem a supervisão de um nó central [24]. O rádio cognitivo tem a capacidade de
configurabilidade para melhor forma possível para o monitoramento, desta forma nas futuras
gerações cada fabricante deste produto poderá de certa forma programa-lo de acordo com que
lhe for mais conveniente.
Dentro do sensoriamento espectral há varias técnicas que estão sendo testadas como,
detecção de energia, cicloestacionariedade e filtro casado.
Na cicloestacionariedade, utiliza-se a análise de sinais aleatórios estacionários, baseados
na função de autocorrelação e na densidade espectral de potência, pois sinais
cicloestaciaonários.
Detecção de energia que tem como funcionalidade fazer a medida de energia presente
em uma faixa primaria durante um período de observação, e compara estes resultados com a
potência de ruído com um limiar pré-estabelecido [25].
A técnica do filtro casado que tem como vantagem maximizar a relação sinal ruído
melhorando as estatísticas de falso alarme e detecção, em contrapartida será necessário que o
receptor conheça a forma de onda do sinal primário, o que resulta em maior complexidade do
sistema de sensoriamento, principalmente quando os usuários primários utilizam diferentes
padrões de comunicação sem fio. [26].
3. RÁDIO COGNITIVO E RÁDIO DEFINIDO POR SOFTWARE
O SDR é construído em torno de software com base em processamento digital de sinais,
apresenta uma plataforma de rádio genérico flexível, sua camada física é composta por blocos
implementados em software. A maior parte das funções realizadas em um equipamento de
23
rádio convencional são realizadas no SDR por meio de um software. O SDR é um rádio que
pode implementar novas funcionalidades para atender uma demanda que não foi prevista no
momento de concepção do sistema [27].
Grande parte do processamento de sinais do SDR é realizada por um processador de
propósito geral, o que permite ao SDR receber e transmitir diferentes protocolos de rádio [26].
O SDR é capaz de operar em diferentes bandas, modulações, formatos de onda e em uma
ampla gama de frequências, com isto o SDR pode suportar diversos padrões como o GSM
(Global System for Mobile); EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) e WCDMA
(Wide-Band Code-Division Multiple Access). Podendo também, suportar diversas tecnologias
de múltiplo acesso como TDMA (Time Division Multiple Access); CDMA (Code Division
Multiple Access); OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) e SDMA
(Space Division Multiple Access) [27].
A Figura 4 mostra o diagrama de blocos da estrutura de um SDR ideal. A antena
inteligente, o hardware flexível, os conversores A/D e D/A compõem o módulo front-end RF.
Através da antena o sinal RF de entrada é detectado e entregue a um amplificador de baixo
ruído que irá regenerar o sinal, após esta etapa o sinal é submetido a filtros passa baixa, em
seguida um conversor analógico digital recebe o sinal analógico, converte o sinal para o
formato digital e entrega ao processador [28].
Hardware
Flexível
A/D
D/A
Processamento
Antena
Inteligente
Figura 4. Estrutura básica do SDR.
Em função das variações da resposta do canal o SDR pode alterar características como a
frequência de operação, o tipo de modulação utilizada e potência de transmissão [28]. É
importante distinguir o SDR de um rádio controlado por software. No rádio controlado por
24
software as funções do rádio são controladas por programa, sendo as funções constituídas por
hardware.
O rádio cognitivo se baseia no conceito de SDR, onde grande parte das funções do
dispositivo de comunicação sem fio é realizada por um programa operando em processadores
de uso geral. O rádio cognitivo opera consciente do seu ambiente, de seu estado de
configuração, de sua localização, e ajusta de forma autônoma suas operações [29], possui a
capacidade de aprender e tomar decisões a partir de experiências. É essencial no rádio
cognitivo a utilização do aprendizado para influenciar decisões futuras do rádio [29].
Para viabilizar esse processo é fundamental que o rádio tenha capacidade de se
reconfigurar, permitindo inclusive que novas funcionalidades sejam agregadas a camada física
e MAC (Media Access Control) para atender uma nova demanda [27], o que torna o SDR a
plataforma ideal para a implementação desse tipo de sistema [30].
4. PLATAFORMAS PARA IMPLEMENTAÇÃO DE RÁDIO COGNITIVO
As plataformas para implementação de rádio cognitivo são um conjunto de ferramentas
de hardware e software utilizadas para implementar esse tipo de rádio.
O SCA (Software Communications Architecture) [31] é uma infraestrutura de software
aberta, voltada para o desenvolvimento de SDR, desenvolvida pelo Departamento de Defesa
dos EUA. Na arquitetura SCA, uma aplicação de rádio é denominada “formas de onda”, são
transformações realizadas para superar distúrbios provenientes seja de interferência de rádio,
seja de propagação no ambiente.
O SCA foi desenvolvido para ser capaz de suportar plataformas de diferentes
capacidades. A capacidade de suportar plataformas de diferentes capacidades juntamente com
o padrão de forma de onda, melhora a portabilidade de aplicações de rádio. A infraestrutura
de software do SCA define um ambiente operacional comum, provendo implantação de
diferentes arquiteturas de hardware em diferentes plataformas [31]. Serão presentadas algu-
mas plataformas para a implementação de rádios cognitivos.
A OSSIE (Open Source SCA Implementation Embedded) [32] é um software de código
aberto, cujo código fonte é disponibilizado para o uso, estudo ou redistribuição. Este software
de código foi um esforço para desenvolvimento do SDR. A OSSIE foi desenvolvida
25
especificamente para pesquisas de rádios cognitivos. Ele é baseado na arquitetura SCA, e é
usado para implementação do SDR, fornecendo um ambiente completo de desenvolvimento
de software.
Uma das ferramentas de desenvolvimento de software para implementação do SDR é o
GNU Radio[33], licenciado pela GPL (General Public License) [33]. O GNU Radio é muito
utilizado por ser uma biblioteca de software aberta. No GNU Radio, como em qualquer rádio,
o rádio é implementado com processamento de sinais digitais e fluxo de dados, sendo que os
blocos de processamento de sinais digitais são escritos na linguagem C++ e a linguagem
Phython é utilizada para criar uma rede para ligar os blocos entre si [33].
Juntamente com o GNU Radio tem-se o USRP (Universal Software Radio Peripheral),
formando uma plataforma para construção do SDR. O USRP [34] é uma plataforma para
desenvolvimento de SDR, com preço acessível e desenvolvido pela Ettus Research, que foi
adquirida pela multinacional National Instruments [35]. Esta plataforma é projetada de uma
maneira a permitir que um computador de uso geral seja usado como plataforma de SDR de
banda larga [36]. Os componentes principais que compõe o circuito do USRP são a placa
mãe, que é responsável por todas as funções programáveis mais complexas, e a placa filha,
que é onde fica o módulo de RF (Radiofrequência) [35].
A plataforma WiNC2R (Winlab Network Centric CR) [35] integra os software GNU
Radio às camadas físicas e de controle de acesso ao meio, e CogNet para as funcionalidades
das camadas mais acima da pilha de protocolos. Outra característica desta plataforma é que
ela suporta vários padrões de comunicação sem fio. A Plataforma WiNC2R permite que o
fluxo de dados seja escolhido em tempo de execução durante seu processamento e para isso,
são implementados alguns mecanismos de sincronização [35]. Usando sua arquitetura de
software, a WiNC2R tem grande flexibilidade e, tem alta velocidade de operação devido a sua
plataforma de hardware [37].
Já a plataforma CORBA (Common Object Request Broker Architecture) [38] é uma
arquitetura de infraestrutura aberta que os computadores usam para trabalhar conectados junto
a uma rede. O CORBA permite que programas escritos em linguagens diferentes rodando em
computadores diferentes, trabalhem juntos em uma mesma aplicação ou serviço [39].
26
5. CONCLUSÕES
A tecnologia rádio cognitivo é tema de várias pesquisas que estão sendo realizadas para
encontrar uma solução eficiente para utilização do espectro. Com o espectro eletromagnético
congestionado fica difícil a implantação de novas tecnologias, como por exemplo, o LTE.
Com base nos estudos pode-se concluir que o rádio cognitivo influenciará positivamente na
melhora das técnicas de transmissão de rádio e possibilitar banda larga em lugares onde ainda
não tem Internet.
27
CAPÍTULO 3. PADRÕES DE COMUNICAÇÃO SEM FIO
BASEADOS EM RÁDIO COGNITIVOS
Este capítulo mostra a influência do rádio cognitivo nos futuros padrões de
comunicação sem fio e os objetivos que se almejam com o uso dessa tecnologia. As principais
características dos padrões de comunicação também serão apresentados para permitir um
melhor esclarecimento de como a cognição pode beneficiar o sistema de comunicação.
1. IEEE 802.22
O IEEE 802.22 é um padrão voltado para conectividade em localidades distantes dos
grandes centros urbanos. Este padrão emprega a tecnologia de rádio cognitivo para viabilizar
o acesso dinâmico ao espectro de forma oportunista, revolucionando a forma de utilização do
espectro de frequência.
Este padrão foi baseado no Wi-MAX [11] e foi o primeiro padrão de comunicação de
dados sem fio a empregar o conceito de rádio cognitivo, tornando-se uma solução interessante
para viabilizar o acesso à Internet em regiões de baixa densidade populacional.
No padrão IEEE 802.22, um método inovador de compartilhamento é no domínio
espacial, que é o reuso de frequência para viabilizar dois enlaces distintos com terminais com
localidades diferentes, e os rádios cognitivos que operam pelo padrão alocam dinamicamente
canais de TV de VHF e UHF que não estão sendo utilizados para usuários secundários tirando
proveito desta ociosidade do espectro [40].
O IEEE 802.22 visa atender grandes áreas de cobertura em uma rede sem fio regional
WRAN [13], podendo formar células de até 100 km de diâmetro. Isso somente é possível
graças à capacidade de análise do canal de comunicação e da técnica de comunicação
adaptativa empregadas no IEEE 802.22. Como os usuários podem experimentar condições de
comunicação distintas com a ERB (Estação Rádio Base), a comunicação adaptativa oferece
uma grande flexibilidade para o sistema, pois permite que os parâmetros de comunicação de
cada enlace sejam definidos em função destas condições. A capacidade cognitiva do rádio
permite estabelecer uma melhor relação de compromisso entre vazão e robustez em função do
canal de comunicação, o que significa que usuários submetidos a melhores condições de
28
propagação estão aptos a atingir vazões mais elevadas do que os usuários que experimentam
condições mais severas [40].
Este padrão, assim como praticamente todos os demais padrões de comunicação banda
larga, emprega o OFDM. Hoje se busca cada vez mais eficiência de transmissão, e uma forma
de aumentar a eficiência é compartilhando subportadoras de um símbolo OFDM com
múltiplos usuários. Essa técnica se chama OFDMA, e consiste em alocar subportadoras de um
mesmo símbolo OFDM para diferentes usuários, viabilizando o múltiplo acesso. Com esta
técnica é possível compartilhar os recursos de um símbolo OFDM entre usuários que não têm
demanda para utilizar todas as subportadoras. A Figura 5 [41], ilustra o diferencial de se
utilizar OFDMA em relação ao OFDM.
Subportadoras Subportadoras
Sím
bolo
s (Tem
po)
Sím
bolo
s (Tem
po)
OFDM OFDMA
Usuário 1
Usuário 2
Usuário 3
Livre
Figura 5. Comparação entre OFDM e OFDMA.
A principal função do rádio cognitivo neste padrão é gerenciar o acesso dinâmico ao
canal [42]. Em redes convencionais, o sensoriamento espectral trata-se de utilização de
recursos e de prover qualidade de serviço, mas em redes cognitivas, o gerenciamento do canal
adiciona uma proteção ao usuário primário, ou seja, um dos parâmetros chave para
gerenciamento do canal é a monitoração do usuário primário.
No padrão IEEE 802.22, o sensoriamento espectral realiza medidas nos diferentes
canais de comunicação para determinar quais canais estão livres e quais canais estão
ocupados. As informações dos canais ficam em um banco de dados, e este banco de dados
disponibiliza para a ERB as informações dos canais disponíveis em certa região por um
servidor autenticado pelo órgão regulamentador. Este banco de dados pode ser acessado por
qualquer dispositivo de rádio cognitivo sem nenhum custo operacional, e nele irá conter os
29
canais disponíveis em determinada localidade e a potência máxima que poderá ser transmitida
sem causar interferência no usuário primário [42].
As principais características da camada física do padrão IEEE 802.22 estão apresentadas
na Tabela 1.
Tabela 1 Principais características da camada física do padrão IEEE 802.22.
PARÂMETRO VALOR
Modulações QPSK, 16-QAM, 64-QAM
Códigos Convolucionais 1/2, 3/4, 2/3
Método de Acesso Múltiplo OFDMA / TDMA
Largura de Faixa 6, 7, 8 MHz
Eficiência espectral média 3 bit/s/Hz
2. IEEE 802.11AF
O IEEE 802.11af é um padrão da familia Wi-Fi que opera na faixa de UHF. Este padrão
foi criado pelo IEEE 802.11 WG (Work Group) a partir das especificações do IEEE 802.11n,
porém com a capacidade de alocar dinamicamente os canais de TV não ocupados na
localidade de operação da rede. Uma vantagen de se trabalhar na faixa de TV digital é que ela
é um canal estático e previsível facilitando o sensoriamento [43].
Para fazer a alocação dos canais de TV não utilizados, o rádio cognitivo define
modificações nas camadas MAC (Media Access Control) e PHY (Physical Layer). A camada
Física deve ter a capacidade de se adaptar a diferentes condições e ter flexibilidade para
mudar de um canal para outro, que contenha uma melhor relação sinal ruido na transmissão, e
também conseguir se ajustar adequadamente a largura de banda disponível. A camada MAC,
com o auxílio do rádio cognitivo, pode melhorar a técnica de cooperativismo, que consiste em
que cada elemento da rede faz o sensoriamento espectral antes de transmitir, isso também é
conhecido como “ouvir antes de falar”. Isso contribui para que a utilização do IEEE 802.11af
na faixa de TV sem que ocorram interferências [44].
Neste padrão, funções cognitivas são realizadas usando a gestão de potência do canal e
mecanismo de alocação dinâmica de canais. A função cognitiva também é responsável por
não permitir interferência no canal das emissoras de TV dependentes que operam sob o
controle de orgãos reguladores. Utilizando funções cognitivas neste padrão através de um
servidor seguro registrado como mencionado anteriormente no padrão IEEE 802.22, o
gerenciamento da potência do canal também é usado para atualizar a lista de canais
30
disponíveis para que a respectiva rádio base altere a potência máxima de transmissão,
frequência do canal e largura do canal.
Outro ponto fundamental para a utilização do rádio cognitivo é o sensoriamento do
espectro, pois, ele é responsavel por manter as informações de disponibilidade de espectro,
seleção do canal, gestão do canal é operação de agendamento de sensoriamento do espectro.
Pelo fato de operar em uma faixa de frequência abaixo de 1GHz, o padrão IEEE 802.11af
além de alcançar uma área maior de cobertura, possui uma maior facilidade de trabalhar em
baixas frequencias em relação ao Wi-Fi na qual o nível de atenuação e mais elevado [45].
Este padrão pode operar com quatro larguras de faixas distintas com ate 6 MHz de
largura de banda, que podem ser adequadas de forma adaptativa, de acordo com o número de
canais disponíveis. Esta adaptação ou agregação de canais é função do rádio cognitivo, que
pode verificar qual canal possui melhores condições para serem utilizados em função da
necessidade do usuário secundário, alocando uma quantidade de subportadora para cada
usuário para manter a sua taxa de transmissão necessária [46]. A Tabela 2, reproduzida de
[47], apresenta os principais parâmetros do padrão IEEE 802. 11af.
Tabela 2 Principais parâmetros para o padrão IEEE 802.11af.
Parâmetro Valor
Técnica de transmissão OFDM
Taxa de Transmissão Rb Mbit/s
3,6
7,3
16,3
17,1
Taxa de Codificação
½
¾
5/6
Espaçamento entre Subportadoras
em KHz
78,125
156,25
312,5
Número total de subportadoras 64
Constelação
QPSK
16QAM
64QAM
3. LTE ADVANCED
Com o crescente número de usuários para a utilização de dispositivos móveis, é
necessário que as operadoras de telefonia móvel implantem melhorias que possibilitem não
31
apenas o ingresso de novos usuários, mas também possibilitem o aumento da vazão para
usuários já existentes.
O LTE vem se destacando como o principal padrão de telefonia móvel celular de quarta
geração. Este padrão foi definido pelo 3GPP (Third Generation Partnership Project) e já está
em operação em diversos países ao redor do globo. Exemplo disso são os Estados Unidos e
Canadá, e até mesmo o Brasil, que está previsto 900 mil conexões LTE até o final de 2013,
segundo a revista Exame [48]. A Tabela 3 mostra as principais características do padrão LTE
[49].
O padrão LTE não atende algumas especificações exigidas pela ITU (International
Telecommunication Union) e, por isso, um novo padrão foi proposto para a 4ª geração do
sistema móvel celular. Este novo padrão é o LTE Advanced, que emprega algumas
tecnologias associadas ao rádio cognitivo. A finalidade do rádio cognitivo neste padrão é
possibilitar o uso do espectro de forma dinâmica e automática, de maneira a alocar espectro
de acordo com a necessidade e disponibilidade encontradas nas mais diversas situações, tanto
do espectro quanto as taxas exigidas pelo usuário.
Tabela 3 Principais características do LTE.
Forma de Acesso Uplink-UL
SC-FDMA ( Single Carrier - Frequency
Division Multiple Access)
Downlink-DL OFDMA
Largura de faixa em MHz
1,4
3
5
10
15
20
Mínimo TTI (Time Transmission Interval) 1 m
Espaçamento entre Subportadoras 15 kHz
Tempo de guarda Curto 4,7 µs
Longo 16,7 µs
Modulação
QPSK
16QAM
64QAM
Multiplexação espacial
Camada única para UL por usuário
Até 4 camadas para DL por usuário
Multi-User MIMO Suportado por UL e DL
A subutilização do espectro também é caracterizada pela atribuição recursos para
usuários. Porque para explorar esses recursos com eficiência é necessário ter conhecimento
32
das condições do canal de comunicações. Conhecer o meio e suas capacidades é função do
rádio cognitivo. Com a aquisição conhecimentos, torna-se possível o aumento da largura de
banda com agregação de canais de usuários que não estiverem transmitindo em um dado
momento, ou seja, os canais subutilizados podem ser compartilhados com usuários
secundários. Está especificado para o padrão LTE Advanced a possibilidade de utilizar essa
técnica de agregação de canais, podendo agregar até 5 portadoras de 20 MHz, totalizando uma
banda de 100 MHz [41]. Com a utilização de rádio cognitivo, em uma consepcão mais
futurística, essa agregação de canais poderá ser dinâmica e automática. Com o aumento da
largura da banda utilizada é possível aumentar a taxa de transmissão, o que justifica o
compartilhamento do espectro eletromagnético por meio da utilização da tecnologia rádio
cognitivo.
A Figura 6, reproduzida de [41] com autorização dos autores, obtida utilizando a
configuração MIMO 2X2 e modulação 16-QAM, evidencia a influência da largura de banda
na taxa de transmissão.
Figura 6. Influência da largura de banda na vazão do padrão LTE utilizando a configuração MIMO 2X2.
Além de possibilitar alocação dinâmica do espectro para aumentar a largura da banda, o
rádio cognitivo na camada MAC, também possibilita a otimização do espectro das
subportadoras OFDMA. Este, se não for distribuído levando-se em conta a resposta em
frequência do canal, pode ficar subutilizado acarretando uma vazão de bits inferior a
conseguida com a otimização [44]. A Figura 7 ilustra o espectro subutilizado por
subportadoras OFDMA. Nesta figura as linhas contínuas representam subportadoras,
destinadas á usuários, que não foram distribuídas de modo a explorar os canais de forma
33
eficiente. As linha pontilhadas representam as respostas em frequência do canal, evidenciando
a importância de se utilizar o rádio cognitivo para melhor distribuir as subportadoras.
Resposta do Canal
SubportadorasResposta do Canal
Usuário 1
Usuário 2
Usuário 3
Figura 7. Espectro subutilizado.
Com o rádio cognitivo, é feito o sensoriamento espectral, em uma concepção mais
ampla, para distribuir as subportadoras alocadas de acordo com suas respectivas resposta em
frequência do canal, objetivando sempre melhorar o rendimento do sistema de forma
dinâmica e automática [44]. A Figura 8 ilustra o espectro das subportadoras OFDMA
otmizado. Nesta situação o sensoriamento vai além de apenas detectar quais canais estão
livres para serem utilizados de forma oportunista, como proposto por Mitola em sua
consepção inical na década de 90. A linhas contínuas representam subportadoras que, além de
alocadas conforme a demanda, foram distribuídas de maneira a explorar melhor os canais por
meio da análise da respostas em frequência de cada canal que, nesta figura, são representadas
por linhas pontilhadas.
Resposta do Canal
SubportadorasResposta do Canal
Usuário 1
Usuário 2
Usuário 3
Figura 8. Espectro distribuído em função da resposta em frequência do canal.
Para que a alocação dinâmica de recursos seja eficiente, é necessário utilizar um
esquema de modulação adaptativa [44]. Na determinação do número de bits por símbolo da
34
modulação adaptativa, deve se levar em conta a BER (Bit Error Rate) tolerada, a resposta em
frequência do canal na frequência da subportadora, a potência disponível e o nível de ruído no
receptor. Também são necessários algoritmos de alocação de recursos que determinem a
alocações de subportadoras e seus respectivos débitos binários em função da estimação das
características de cada canal de comunicação. Estes algoritmos, detalhados [44], têm como
objetivo aumentar a vazão do sistema, analizar as demanda mínimas de cada usuário para
fazer a alocação e, ainda, diminuir a potência de cada usuário caso não seja necessário
aumentar a vazão para atender as demandas.
Outra proposta futurística pra o LTE Advanced, operando em um cenário que todos os
dispositivos da rede possuem rádio cognitivo com a função de sensoriamento espectral, seria
o usuário poder informar a ERB sobre a disponibilidade de canais não utilizados de outra
ERB em sua região. Isso é conhecido como sensoriamento espectral distribuído [50]. Também
tem-se o sensoriamento espectral centralizado, onde todos os dispositivos com capacidade de
sensoriamento enviam as informações sobre o espectro de frequências em sua localidade para
um nó central, que tem a responsabilidade de definir quais são as frequências que podem ser
utilizadas de forma oportunista [50]. Tipicamente, o papel de nó central neste tipo de
sensoriamente é executado pela ERB, que envia as informações necessárias para terminais
modificarem dinamicamente suas configurações de comunicação.
E ainda com o propósito de conseguir altas taxas, além de aumentar a largura de banda,
tanto o LTE quanto o LTE Advanced contam com a técnica de transmissão MIMO (Multiple
Input Multiple Output) [41], onde o sinal é transmitido e recebido por duas ou mais antenas
com fluxo de dados diferentes. E na recepção utilizando processamento digital de sinais, esses
fluxos de dados são separados multiplicando a vazão por 2, se utilizar o arranjo MIMO 2X2
[41], como previsto para o LTE Advanced. Para o LTE, onde MIMO é opcional, pode-se
utilizar até o arranjo MIMO 4X4, e para o LTE Advanced, que MIMO é obrigatório, pode-se
utilizar até o arranjo MIMO 8X8. Se os sinais forem combinados corretamente no receptor, a
robustez e/ou a vazão do sistema podem ser melhoradas. Como melhoria para a tecnologia
MIMO pode ser a inclusão da multiplexação espacial, pré-codificação e ainda diversidade de
transmissão [41]. Na multiplexação espacial os sinais são divididos, em função do número de
antenas, antes de serem transmitidos. Na recepção esses sinais são reagrupados em um único
sinal, aproveitando os de maior SNR (Signal to Noise Ratio) e considerando os demais como
ruído [51]. Com a pré-codificação, a SNR pode ser melhorada com a ponderação dos sinais
35
transmitidos pelas diferentes antenas [41]. Já com a diversidade de transmissão, dependendo
do envio do sinal codificado por várias antenas, é possível tornar em vantagam a propagação
por multiplos percursos entre transmissor e receptor por meio dos valores de tensão e fase
[51]. Essa técnica de transmissão MIMO é opcional no LTE, mas já no LTE Advanced é
obrigatória para contribuir no alcance de altas taxas de UL e DL. A Figura 9, reproduzida de
[41] com autorização dos autores, obtida utilizando banda de 5 MHz e modulação 16-QAM,
demonstra como a vazão de bits é influenciada pelo número de antenas do esquema MIMO
em função da relação sinal-ruído.
Figura 9. Vazão do sistema LTE em função do arranjo do sistema MIMO.
Outra característica do LTE Advanced para melhorar os quesitos de QoS (Quality Of
Service), é a possibilidade de utilizar Relay Node [44], que são nós de retransmissão. Uma
proposta mais audaciosa consiste em utilizar os próprios terminais dos usuários como Relay
Nodes em um esquema denominado de comunicação cooperativa. Neste caso, os usuários
mais próximos da ERB podem atuar como uma ponte de comunicação para os usuários que
estão nas bordas da célula.
A Figura 10 ilustra o Relay Node evidenciando o uso de torres repetidoras e a opção de
utilizar os próprios usuários como repetidores do sinal.
36
Figura 10. Relay Node utilizando torres e os próprios usuários como repetidores do sinal.
4. IEEE 802.16M
Conhecido por Wireless MAN-Advanced ou WiMAX 2 o padrão IEEE 802.16m foi
desenvolvido com o objetivo de atender aos requisitos para redes 4G mantendo a
compatibilidade com versões anteriores. Foi projetado para suportar as frequências em todas
as faixas de IMT (International Mobile Telecommunications) abaixo de 6 GHZ. Desenvolvido
para ser utilizado em ambientes com características de propagação que se alteram ao longo do
tempo, prevê interface aérea avançada que chega a taxa de 100 Mbps com mobilidade e 1
Gbps no caso fixo. Utiliza modulação adaptativa e técnica de acesso OFDMA para uplink e
downlink [52], a Tabela 4 [53] apresenta características definidas para o padrão IEEE
802.16m.
Tabela 4. Características do padrão IEEE 802.16m.
Padrão WiMAX WiMAX 2
Duplexação TDD TDD - FDD
Técnica de Modulação TDM / TDMA OFDMA
Banda de operação (MHz) 5; 7; 8,75; e 10 5; 7; 8,75; 10 e 20 (Até 100MHz
utilizando agregação de canais)
Códigos convolucionais Taxa mínima de 1/2 Taxa mínima de 1/5
UL MU-MIMO Tem uma única antena de
colaboração
MIMO cooperativo para até 4
antenas de Transmissão
DL MU-MIMO Não suporta Até 4 usuários emparelhado.
Cobertura 10 Km 3 Km; 5-30 Km e 30-100 Km
O padrão 802.16m emprega conceitos de rádio cognitivo [54] utilizando o espectro de
forma oportunista através da agregação de canais, otimizando a utilização do espectro com o
aumento ou diminuição da banda ofertada em função da necessidade de cada usuário. Dessa
forma pode chegar a uma largura de banda de 100 MHz agregando canais de 20 MHz [52].
37
Utiliza modulação adaptativa, o que permite que se estabeleça uma conexão robusta com o
usuário. Usando esquema de modulação 64-QAM, pode reduzir a ordem de modulação para
16-QAM ou alterar o esquema de modulação para QPSK, o que reduz a taxa de transmissão,
mas aumenta o alcance efetivo [55].
Através do sensoriamento espectral o rádio cognitivo deve ser capaz de determinar
porções não utilizadas do espectro, compartilhar o acesso com outros usuários, selecionando o
melhor canal disponível tendo como base características como a resposta em frequência do
canal, taxa de erro, vazão e QoS. No padrão 802.16m torna-se possível determinar quais
subportadoras e respectivas ordens de modulação deverão ser alocadas a cada usuário em
função destas características, com o emprego do algoritmo de alocação adaptativa na técnica
de acesso OFDMA. A Figura 11, reproduzida com autorização dos autores, ilustra a alocação
de subportadoras [44].
Figura 11. Alocação de subportadoras de um algoritmo de maximização da vazão de dados.
Ao se deparar com uma situação onde se encontre impossibilitado de se comunicar com
a rádio base, o rádio cognitivo ciente do ambiente que está inserido deve ser capaz de se
autoconfigurar para estabelecer comunicação através dos recursos disponíveis. Desta forma,
pode utilizar o rádio vizinho como um nó da rede e estabelecer comunicação com a rádio base
por meio de múltiplos saltos [56]. De forma semelhante o padrão 802.16m pode operar no
modo Mesh, formando dinamicamente uma malha entre seus clientes e, através de múltiplos
saltos entre nós intermediários, os pacotes dos clientes atingem o destino remoto [57],
conforme ilustra a Figura 12.
38
Internet
Malha
Figura 12. 802.16m modo Mesh
5. CONCLUSÃO
Em face aos padrões apresentados no capítulo 3, conclui-se que ainda existem questões
a serem mais profundamente pesquisadas. Isso porque, para que esses padrões alcancem tanto
a vazão quanto os quesitos de QoS almejados, fica indispensável o uso de rádio cognitivo. E
por viabilizar o aumento da vazão para os usuários respeitando os quesitos de QoS, mesmo
em senários onde existe escassez de banda e outros fatores que inibem a transmissão em altas
taxas, fica justificado o uso de uma tecnologia tão complexa quanto o rádio cognitivo.
39
CAPÍTULO 4. CONCLUSÕES
Os principais desafios encontrados pelos padrões apresentados neste trabalho, estão
relacionados com aumento da vazão obedecendo aos quesitos de QoS. Com o objetivo de
superar esse desafio, esses padrões utilizam a tecnologia rádio cognitivo. Neste trabalho
foram realizadas pesquisas sobre rádio cognitivo nos futuros padrões de comunicação sem fio.
Também foi mostrado como os padrões operavam antes e depois da inclusão do rádio
cognitivo, enfatizando as vantagens do uso dessa tecnologia tão complexa.
A melhor forma de aproveitar o espectro eletromagnético é usando a tecnologia de rádio
cognitivo, e o padrão IEEE 802.22 é uma boa solução para aproveitar o espectro usando os
canais de TV que não estão sendo utilizados, podendo formar células de até 100 km de raio,
para prover acesso à Internet em regiões afastadas dos grandes centros urbanos. O rádio
cognitivo que opera pelo padrão aloca dinamicamente canais de TV que não estão sendo
utilizados para usuários secundários, e o gerenciamento do canal adiciona uma proteção ao
usuário primário, para quando ele necessitar da utilização do canal.
De acordo com os estudos feitos sobre o padrão IEEE 802.11af, através da utilização
das técnicas de rádio cognitivo no sensoriamento do espectro, geolocalização, comunicação
com o banco de dados de TV WS e nas camadas MAC e PHY, este padrão se torna bastante
promissor para dar inicio a esta nova mudança dentro da faixa de frequência de TV, devido a
grande demanda wireless nos grandes centros urbanos e também em relação ao seu baixo
custo em relação a outros padrões.
Com base nos estudos apresentados sobre o LTE Advanced neste trabalho, conclui-se
que, o rádio cognitivo além de contribuir para o aumento da vazão, também leva em conta os
quesitos de QoS, apesar de operar em faixas do espectro com ocupações instáveis. O que
demanda mais dedicação da parte de sensoriamento espectral.
Com a presença do rádio cognitivo no padrão 802.16m conclui-se que o espectro passa
a ser mais bem utilizado. Os algoritmos de alocação adaptativa agregam maior eficiência na
alocação das subportadoras, e poderão apresentar desempenho melhor assumindo
configurações dinâmicas conforme a determinação do rádio cognitivo através de seu processo
cognitivo.
40
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