CURSO DE MESTRADO EM TELECOMUNICAÇÕES DISCIPLINA: TP REDES CONVERGENTES PROFESSOR: ANTÔNIO MARCOS ALBERTI PROJETO SENDORA

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1 CURSO DE MESTRADO EM TELECOMUNICAÇÕES DISCIPLINA: TP REDES CONVERGENTES PROFESSOR: ANTÔNIO MARCOS ALBERTI PROJETO SENDORA ALUNOS: CARLOS EMÍLIO CORDEIRO & JOSÉ CARLOS BASÍLIO DOS SANTOS SANTA RITA DO SAPUCAÍ MG DEZEMBRO DE 2009.

2 Sumário Lista de Figuras...4 Lista de Abreviaturas e Siglas Introdução O Projeto Sendora Análise do Espectro de Freqüência Objetivos do Projeto Sendora Estrutura do Projeto Sendora Arquitetura do Projeto Sendora Classificação da Arquitetura Definições Existentes na Arquitetura Comunicação na rede IMPACTOS NA REDE SENSORIAMENTO COLABORATIVO, CENTRLIZADO E DESCENTRALIZADO Pilha de Protocolos NÍVEL DE APLICAÇÃO DO SENSOR NÍVEL FÍSICO NÍVEL DE ENLACE NÍVEL DE REDE Considerações Gerais Sobre o Ecossistema (Modelo de Negócio) da Rede de Sensores Questões Reguladoras Cenários e Requisitos de Sistema Critérios para Definição de Cenários Tipos de Cenários CENÁRIOS FIXOS Acesso Em Áreas Rurais Aplicações em Banda Baixa: Leitores de Medição Automática (AMR) CENÁRIOS NOMADES Acesso em Áreas: Urbana ou Suburbana e Rural Rede Local sem Fio Eventos Simples Aplicações de Banda Reduzida: Identificação por Freqüência de Rádio (RFID) CENÁRIOS MÓVEIS...33

3 Banda Larga Móvel em Área Urbana e Suburbana Banda Larga Móvel em Áreas Rurais Aplicações de Banda Baixa: Localização Automática de Veículos (AVL) Planejamento das Implementações do Projeto Sendora Conclusões Análise Qualitativa...37 REFERÊNCIA...38

4 Lista de Figuras Figura 1. Alocação de Freqüência segundo a FCC...10 Figura 2. Densidade espectral de potência...11 Figura 3. Modelo de Espectro Não Licenciado Compartilhado...13 Figura 4. Modelo de Espectro com Compartilhamento Oportunista...13 Figura 5. Cenário geral da rede de sensores auxiliada por rádio cognitivo...15 Figura 6. Composição da arquitetura de rádio cognitivo...17 Figura 7. Comunicação na rede...18 Figura 8. Comunicação Proativa...19 Figura 9. Comunicação Reativa...19 Figura 10. Obtenção de freqüência...21 Figura 11. Sensoriamento Colaborativo...23 Figura 12. Sensoriamento centralizado e descentralizado...23 Figura 13. Pilha de Protocolos...24 Figura 14. Modelo de Negócio ou Ecossistema...27 Figura 15. Cenário sugerido pelos fabricantes: Philips, Samsung, FT e ETRI...30 Figura 16. Cenário de banda larga nômade baseada em rádio cognitivo...32 Figura 17. Comparação entre Cenários...35 Figura 18. Planejamento...36

5 Lista de Abreviaturas e Siglas CSMA FCC FDM OFDM SENDORA WRC WP AVL AMR RC Carrier Sense Multiple Access Federal Communication Commission Frequency Division Multiplexing Orthogonal Frequency-Division Multiplexing SEnsor Network for Dinamyc and cognitive Rádio Access World Rádio Conference Work Packages Localização Automática de Veículos Leitores de Medição Automática Raio de Cooperação

6 6 1. Introdução A distribuição dinâmica de espectro tornou-se uma atividade de investigação fundamental na área de comunicações sem fio e, em particular, uma tecnologia-chave para "As Redes do Futuro". Seguindo essas tendências atuais para a distribuição dinâmica do espectro, o projeto SENDORA desenvolve técnicas inovadoras baseadas em redes de sensores, que irá apoiar a coexistência de usuários licenciados e não licenciados sem fio em uma mesma área. As idéias do projeto SENDORA decorrentes são fundamentadas em tecnologia de rádio cognitivo. A capacidade de detectar buracos no espectro, sem interferir com a rede primária em uso no momento, é a dificuldade real enfrentada pelo rádio cognitivo. O conceito inovador proposto no projeto SENDORA consiste em desenvolver uma rede de sensores auxiliada por rádio cognitivo, tecnologia que irá permitir resolver este problema. A rede de sensores auxiliada por rádio cognitivo irá abordar diversas técnicas avançadas. Uma análise do potencial de exploração dessas técnicas será proposta. Primeiro, os cenários de interesse serão definidos a fim de fornecer às atividades técnicas, as exigências de cobertura. Diferentes cenários são propostos, que correspondem às necessidades reais, identificados principalmente pelo potencial de integração e soluções. No ponto de vista técnico, novas técnicas de detecção são propostas para identificar falhas no espectro. A gestão de informação é estudada para alcançar a co-existência de rádios cognitivos, sem gerar interferências prejudiciais. A concepção, dimensionamento de rede e da rede de sensores sem fio são também abordados O Projeto Sendora O projeto SENDORA (SEnsor etwork for Dinamyc and cognitive Rádio Access) proposto em 2007, iniciou-se em janeiro de 2008 com o propósito de estudar as redes de sensores auxiliadas por rádio cognitivo em um período de 3 anos de desenvolvimento.

7 7 O Projeto SENDORA é uma parceria de diversas instituições, como: Thales Group - Líder global em tecnologia espacial, aeroespacial, defesa, segurança e mercado de transportes; Eurecom - Um dos mais conceituados centros de pesquisas em sistemas de comunicação que tem como parceiros renomadas universidades como: Universidade de Tecnologia de Munich além de contar como parceiras grandes indústrias como: Cisco, Symantec, Sharp, SAP, Ericsson, BMW entre outros; NTNU - Universidade de Ciência e Tecnologia da Noruega; TELENOR - Um grupo que fornece serviços de comunicações em 13 países da Europa e Ásia com aproximadamente 170 milhões de clientes; KTH - Royal Instituto de Tecnologia (Suécia); TKK - Helsink Universidade de Tecnologia da Finlândia; Universidade de Roma, Valência, Linkoping entre outras. A motivação para o desenvolvimento do projeto de redes de sensores auxiliadas com tecnologia de rádio cognitivo é a exploração dos recursos de espectro de rádio que são subutilizados. O restante deste trabalho está dividido da seguinte forma: a seção 2 apresenta a análise do espectro de freqüência atual, apresentando novas propostas em relação à divisão das faixas. A seção 3 apresenta os principais objetivos do projeto SEDORA. A seção 4 descreve a estrutura do projeto SENDORA. A seção 5 apresenta a arquitetura do projeto SENDORA, descrevendo as definições existentes e a classificação dessa arquitetura; como é realizada a comunicação entre as redes; o processo de obtenção de freqüências; os impactos que podem surgir nas transmissões; os tipos de sensoriamento; o modelo da pilha de protocolos descrevendo como cada nível deve trabalhar; considerações gerais sobre o modelo de negócio da rede de sensores; e as questões reguladoras envolvidas na utilização do espectro. A seção 6 apresenta os cenários e requisitos de sistemas, mostrando os tipos de cenários e os critérios que devem ser analisados na escolha desses cenários. A seção 7 apresenta o cronograma proposto no projeto SENDORA e a seção 8 conclui o trabalho.

8 8 2. Análise do Espectro de Freqüência O espectro de freqüência é um recurso natural, assim como, água e o solo são propriedades do Estado. O direito de uso de uma parte do espectro é concedido através de uma licença, obtida gratuitamente ou por leilão público. Esta parte do espectro pode ser uma banda inteira (nos sistemas móveis celulares) ou um canal dentro de uma banda (emissoras de rádio e televisão). A licença é concedida por um período, desde dias até anos. Diferente da maioria dos recursos naturais, o espectro de freqüência é reutilizável. Ao expirar a licença de um usuário, outro poderá obter a licença desta mesma banda, sem que o mesmo tenha perdido suas características. A regulamentação do espectro de freqüência ocorre basicamente em três níveis: global e regional, definidos com um bloco de países vizinhos; e internamente em um país. A divisão das faixas do espectro de freqüência, em nível global e regional, é discutida na WRC (World Rádio Conference), uma conferência em nível global organizada pela ITU (International Telecommunications Union), a cada dois, três, ou quatro anos. Nesta conferência são discutidas questões relacionadas à utilização do espectro de freqüência para comunicações. A função da WRC é rever e ratificar a regulamentação do espectro de rádio freqüência, e o tratado internacional que governa o uso de rádio freqüência. Atualmente, o modelo de alocação de bandas do espectro de freqüência, permite os seguintes tipos de concessões: Licenciado Exclusivo - Direito de uso exclusivo da banda ou canal assegurado por um órgão fiscalizador do espectro, por um período de anos, sujeito às limitações da licença. Não Licenciado - Utiliza o espectro de freqüência sem a necessidade de obter uma licença. Neste caso, não há um único usuário com direito de uso exclusivo, e todos os usuários estão sujeitos aos limites nos termos da licença. Inicialmente as faixas alocadas para o mesmo foram de 902 MHz e 2.4 GHz. Depois ocorreu uma expansão para 3.5 GHz e 5.8 GHz. Não licenciado não significa sem regulamentação. Os dispositivos deverão estar homologados, conforme estabelecido pelo órgão regulador, para poderem operar nesta parte do espectro.

9 9 Licenciado Não Exclusivo - Utiliza partes do espectro de freqüência onde são concedidas licenças para mais de um usuário. Nenhuma entidade tem o controle total desta parte do espectro. No entanto, há restrições no conteúdo que pode ser transmitido, e os tipos de serviços que eles poderão oferecer. De acordo com FCC (Federal Communication Commission), órgão regulador do espectro de freqüência, há poucos recursos de espectro de freqüência disponível, e em grande parte são utilizados de maneira ineficiente, pois transmitem em curtos espaços de tempo. Em algumas partes, não há banda nem canal disponível. Na condição atual, a expansão de novas aplicações em sistemas de comunicações sem fio esta comprometida. Como a maior parte do espectro de freqüência é usada como licenciado exclusivo, existe pouca margem para concessão de novas licenças, ou mesmo inclusão de novas bandas não licenciadas. A Figura 1 mostra a distribuição dos recursos de freqüência alocados.

10 Figura 1. Alocação de Freqüência segundo a FCC. 10

11 11 A Figura 2 mostra a densidade espectral de potência para a faixa de 0 até 6GHz. Verifica-se que as freqüências não são usadas no tempo e grande parte das bandas de espectro com freqüências abaixo de 3GHz encontram-se tecnicamente alocadas. Figura 2. Densidade espectral de potência. As características técnicas, das faixas abaixo de 3GHz, despertam interesse pelos seguintes fatores: sinais de baixa freqüência propagam-se mais facilmente através do ar e na presença de obstáculos; são mais tolerantes a ruído e não há necessidades de linha de visada entre o transmissor e o receptor; os componentes eletrônicos associados para os circuitos em baixas freqüências são mais baratos. A tecnologia de rádio cognitivo oferece uma possível solução para a alocação e melhor utilização do espectro de forma mais sofisticada, ou com um sistema inteligente que pode aumentar a disponibilidade de espectro na rede, utilizando-se do SDR (Rádio Definido por Software) visando atender futuras implementações. O SDR é uma arquitetura flexível que permite as reconfigurações de padrões de operação comuns em uma plataforma hardware, permitindo modificações dinâmicas de rádio freqüência e processamento de banda base via software. O princípio do rádio cognitivo é reutilizar de forma temporal, espacial e geográfica a licença de espectro. A idéia básica é que um usuário não licenciado possa utilizar o espectro licenciado disponível, sem interferir com os usuários primários (licenciados). Pesquisas recentes incluem as idéias de como esta coexistência pode ser

12 12 implementada na prática. A capacidade de identificar buracos no espectro, sem interferir com a rede licenciada é hoje, a maior dificuldade encontrada no rádio cognitivo, em tempos onde a melhor alocação freqüência é o alvo principal. Este problema está sendo resolvido graças à introdução das redes de sensores auxiliadas por rádio cognitivo no monitoramento de espectro. As atuais tendências caminham para a direção da alocação dinâmica do espectro e rádio cognitivo. O projeto SENDORA desenvolve uma abordagem de apoio para a coexistência dos usuários licenciados e não licenciados na mesma área. Este conceito é um sistema que envolve um conjunto avançado de técnicas de comunicação sem fio utilizando o sensoriamento de espectro, gerenciamento de interferência, gerenciamento e reconfiguração de rádio cognitivo, comunicação cooperativa, desenvolvimento de protocolos fim a fim e otimização em nível. Todas estas técnicas trabalhando em conjunto formam um sistema capaz de melhorar a utilização do espectro de forma significativa. Além dessa iniciativa do SENDORA, as autoridades competentes estudam novas formas de regulamentar o espectro em novas faixas, introduzindo novas formas de direito de uso, como por exemplo: usuários secundários operando como oportunista, em bandas de guarda; e, sublocação de partes do espectro por parte dos usuários primários. saber: Dos três regimes existentes atualmente, sugerem-se novos quatros regimes, a Licenciado Exclusivo - Segue o mesmo modelo do "licenciado exclusivo" descrito anteriormente; Não Licenciado Puro - Segue o mesmo modelo do "não licenciado" já descrito; Não Licenciado Compartilhado - Sob certas circunstâncias, usuários tipicamente equipados com dispositivos não licenciados, poderão compartilhar o uso do espectro com dispositivos licenciados. Isto deverá ser realizado através de um contrato de sublocação, uma lei análoga a de aluguel de imóveis. O termo inglês usado para isto é, "underlay", pois os dispositivos não licenciados deverão operar abaixo de um limiar de ruído mínimo, estabelecido para os dispositivos licenciados.

13 13 Os dispositivos licenciados operam com uma potência bem acima da permitida para os usuários não licenciados nesta faixa de freqüência, Figura 3; Figura 3. Modelo de Espectro ão Licenciado Compartilhado. Não Licenciado Oportunista - Compartilhamento oportunista significa obter vantagens do espectro não utilizado em faixas licenciadas. Neste modelo, quando um canal estiver temporariamente disponível o rádio cognitivo detecta estes buracos no espectro e estabelece uma rede de comunicação sobre o mesmo. De forma paralela, o rádio cognitivo através de um mecanismo de sensoriamento, monitora esta parte do espectro. Caso ele detecte o início de atividade, por um usuário licenciado, ele imediatamente libera esta parte do espectro. Em seguida ele procura outro canal para restabelecer uma nova rede de comunicação, como mostrado na Figura 4. Figura 4. Modelo de Espectro com Compartilhamento Oportunista.

14 14 3. Objetivos do Projeto Sendora O Projeto SENDORA propõe três objetivos maiores: Identificar e analisar os cenários de negócios para as redes de sensores wireless auxiliadas por rádio cognitivo; Definição e simulação das oportunidades de acesso e estratégias de alocação de recursos nas redes de sensores, detalhando os requisitos iniciais de trabalho para implementação das técnicas; Desenvolver uma arquitetura flexível e reconfigurável. Através de provas demonstrá-la nas redes de sensores auxiliadas por rádio cognitivo. Como este é um tema muito recente, os conceitos propostos deverão permitir um estudo de um rádio dinâmico e mesclar a concorrência entre tecnologias de banda larga e tecnologia celular. 4. Estrutura do Projeto Sendora O projeto é dividido em 08 WP s (Work Packages) ou linhas de trabalho: WP1 - Gerenciamento das atividades; WP2 - Detalhamento dos cenários objetivados, provendo assim recursos para outros Wps; WP3 - Técnicas de Sensoriamento do Espectro - Desenvolvimento de novos algoritmos de sensoriamento, onde o poder de detecção irá contribuir no maior processamento dos dados de origem, realizando uma detecção distribuída dos usuários licenciados; WP4 - Endereçamento da atuação cognitiva - O objetivo deste grupo de trabalho é compreender e melhorar o controle de loop de atuação, que deverá ser um módulo chave do terminal de rádio; WP5 - Responsável pela colaboração das comunicações nas WSN (Wireless Sensor etwork), projetando técnicas para o nível de camada física;

15 15 WP6 - Responsável pelo desenvolvimento da pilha de protocolos para as WSN, onde sejam permitidos a coleta e monitoramento do espectro; WP7 - Irá abordar uma integração destas técnicas elaboradas e demonstrar os conceitos num cenário real. Demonstrar o desenvolvimento de um rádio baseado em duas plataformas: uma plataforma dedicada ao processamento de sinal digital e a outra plataforma com agilidade de freqüência; WP8 Dedicado a divulgação das atividades desenvolvidas. 5. Arquitetura do Projeto Sendora Na arquitetura de redes de sensores um novo conceito foi desenvolvido, a fim de suportarem os usuários licenciados e os não licenciados na mesma cobertura, utilizando à rede de usuários de sistemas cognitivos, também chamada de rede secundária. A rede de sensores sem fio se comunica com a rede primária, monitora o espectro utilizado; identifica os buracos disponíveis e que podem ser potencialmente utilizados pela rede secundária. Esta informação é retornada para a rede secundária, e os usuários da rede secundária estão prontos a se comunicarem utilizando estes espaços sem causar danos e interferências na rede de usuários licenciados ou rede primária, como mostra a Figura 5. Figura 5. Cenário geral da rede de sensores auxiliada por rádio cognitivo.

16 Classificação da Arquitetura As redes de sensores auxiliadas por rádio cognitivo podem ser classificadas em duas principais classes de arquitetura: Redes de sensores independentes auxiliadas por rádio cognitivo - A rede de sensores é disposta em uma área por um operador, e os usuários de rádio cognitivo que entram na área poderão se comunicar com a rede de sensores e obter informações sobre o espectro utilizado, ou instruções de como poderão utilizá-lo. Redes de sensores integradas auxiliadas por rádio cognitivo - Nas redes integradas há dependência das redes de sensores. Os sensores monitoram os processos, detectam o modo e oportunidades de transmissão. Neste caso a rede cognitiva é também a rede de sensores sem fio. Estas arquiteturas podem ser combinadas em uma arquitetura híbrida. Nesta arquitetura, uma rede de sensores independentes é desenvolvida em uma área para garantir conhecimento suficiente da utilização do espectro. Então os sensores também são integrados nos terminais de rádio cognitivo para melhorar o monitoramento do espectro conforme o crescimento do número de usuários. Essas arquiteturas podem ser utilizadas em todos os cenários, mas para cada cenário teremos uma arquitetura em particular que atenda da melhor forma cada solução. A classificação do cenário é baseada nos aspectos de utilização e não na arquitetura do cenário.

17 Definições Existentes na Arquitetura. Figura 6. Composição da arquitetura de rádio cognitivo. seguir: As definições existentes na arquitetura, são mostradas na Figura 6 e descritas a Sistema de rádio cognitivo - É o ciente do estado interno, do ambiente e toma as decisões baseadas nas necessidades e informações pré-definidas. As informações do ambiente podem ou não ser inclusas nas informações de localização. Estação base de rádio cognitivo - Pode ou não ter capacidade cognitiva própria, caso não tenha, baseia-se em informações de outros parceiros da rede; Central de fusão - Unidade que coleta os dados dos sensores e processa obtendo informações do espectro utilizado na área coberta. Uma rede de sensores pode ter uma, várias ou nenhuma unidade central de fusão. Redes de sensores sem fio - Uma rede de sensores de detecção por espectro, onde a comunicação tanto de origem como destino é sem fio.

18 18 Cenários Fixos - Os rádios são montados de forma permanente em antenas externas. Estas antenas são normalmente montadas em paredes ou telhados de prédios. Cenários nômades - Os terminais ficam fixos quando conectados na rede, e podemse mover quando desconectados. E então conectam-se em outra rede de nova localização. Cenário Móvel - Cenários onde os terminais de rádio cognitivo podem ser mover durante a comunicação. Rede de rádio primária - Rede que tem os direitos de utilização de uma freqüência de banda de forma primária. Outra rede de rádio não pode utilizar esta freqüência enquanto a rede primária não a liberar. Rede de rádio secundária - Rede que tem os direitos de utilização de uma freqüência de banda de forma secundária. O rádio pode utilizar-se desta freqüência somente quando a rede primária não estiver utilizando Comunicação na rede As redes de sensores auxiliadas por rádio cognitivo têm como objetivo fornecer à rede secundária, informações sobre as freqüências disponíveis na rede primária. Isto é feito após a coleta de informações dos sensores sobre ocupação dos espectros na rede primaria licenciada, como mostra a Figura 7. Figura 7. Comunicação na rede.

19 19 A comunicação da rede secundária com a rede de sensores pode ocorrer de forma proativa ou reativa. As Figuras 8 e 9 mostram respectivamente essas duas formas de comunicação. Na comunicação proativa, o fluxo de mensagens de sensoriamento ocorre de maneira independente das solicitações da rede secundária. Figura 8. Comunicação Proativa. Na comunicação reativa, o fluxo de mensagens de sensoriamento é coordenado entre a rede secundária e a rede a sensores. Figura 9. Comunicação Reativa.

20 20 Os sensores monitoram freqüências de acordo com um agendamento definido. As medidas são feitas a cada período de tempo, e as informações são transmitidas para o fusor central. Com estas informações e as regras de sensoriamento, o fusor central realiza uma atualização no mapa de ocupação do espectro. Este mapa contém somente a banda de freqüência que foi analisada. Um mapa completo da ocupação é formado pelos demais mapas de cada freqüência no espectro. As redes de sensores sofrem grande impacto no tempo de resposta, devido ao alto fluxo de mensagens, o que gera uma sobrecarga na tomada de decisões na associação de freqüências. A faixa de transmissão dos usuários da rede secundária e o tamanho da rede de secundária são parâmetros que afetam no atraso na rede. As medidas de desempenho que afetam diretamente a rede primária são a probabilidade de interferência, o tempo de resposta e a probabilidade de perca de detecção. A probabilidade de interferência depende da probabilidade de perca do sinal e da carga da rede secundária, e o tempo de resposta depende do atraso no sensoriamento e da comunicação. A probabilidade de perca de detecção irá depender da granularidade das informações coletadas. Na rede secundária, o desempenho é avaliado de acordo com a utilização de espectros, dependente do tempo de sensoriamento. Para as unidades secundárias utilizarem freqüências disponíveis na rede primária, será necessário o mapa de informações de freqüências. Com base nestas informações e alguns outros parâmetros, o fusor central aloca a freqüência e a potência para os usuários secundários, de modo que, a interferência produzida por eles fique abaixo do valor definido no sistema primário. Esta alocação é válida por um período de tempo, e é definida pelo sistema primário, mas comunicada pelo fusor central. As transmissões primárias não são sincronizadas com as secundárias, mas, quando um nó primário começa a transmitir, sua transmissão pode interferir em uma transmissão secundária que foi corretamente alocada para aquele período. O processo de obtenção de freqüências ocorre como mostrado na Figura 10.

21 21 Figura 10. Obtenção de freqüência. A unidade secundária é a caixa branca, e o círculo em sua volta indica a região de interferência. O octógono vermelho é uma unidade da rede de sensores sem fio responsável pela fusão dos dados e interface com a unidade secundária. Os círculos azuis são os sensores que fazem um sensoriamento distribuído. A unidade secundária entra em contato com o fusor central solicitando um espectro de freqüência, a informação provida varia conforme as características de comunicação da rede secundária. Na solicitação estão presentes, informações de localização, potência de energia ou distância para que este consumo de energia seja avaliado. A unidade secundária aguarda a resposta do fusor central, que responde com a freqüência associada. As mensagens sobre a alocação de freqüência são periodicamente atualizadas com as atribuições do canal, enquanto a unidade secundária estiver conectada. Para que opere desta forma, é necessária uma interface entre a rede de rádio cognitivo e a rede de sensores. O nó sensor trabalha analisando o espectro local, um conjunto de freqüências é monitorado e são geradas estimativas para todas as freqüências de acordo com um algoritmo apropriado.

22 IMPACTOS A REDE Alguns impactos podem ocorrer nas transmissões da rede: Até mesmo redes secundárias implementadas com muito cuidado, podem causar interferências nas transmissões primárias paralelas. A não detecção de uma rede primária ativa em uma rede de sensores, pode ser a origem de interferências. O sensoriamento do espectro pode levar um tempo, e este tempo entre monitorar e enviar a informação, pode gerar uma transmissão paralela por um período, gerando uma incidência de interferência e ruídos sobre o nó da rede primária. As transmissões secundárias, mesmo não interferindo nas primárias, podem ocupar o canal de transmissão, afetando o desempenho dos protocolos de acesso SE SORIAME TO COLABORATIVO, CE TRLIZADO E DESCE TRALIZADO Em muitos casos, os algoritmos de sensoriamento do espectro requerem troca de informações entre os nós sensores vizinhos. Esta troca de informações utiliza como base o raio de cooperação (RC). O RC define a quantidade de nós sensores vizinhos que irão compor o alinhamento, e escolhe as melhores decisões sobre a situação do espectro. Isto é classificado como sensoriamento colaborativo, como mostra a Figura 11. Após serem feitas as leituras, são transmitidas ao fusor central. O sensoriamento depende da existência de uma unidade central que coleta as informações de medidas do espectro e freqüências associadas para uso na rede cognitiva. Se o sensoriamento do espectro é executado por uma unidade secundária, o nó principal desta rede age como um fusor central. Com isto, uma entidade superior será necessária para coordenar e validar as associações de freqüência feitas por este nó principal, caracterizando um sensoriamento centralizado. Numa solução descentralizada uma unidade secundária pergunta para um sensor vizinho, as freqüências livres. A Figura 12 apresenta o sensoriamento centralizado e descentralizado.

23 23 Figura 11. Sensoriamento Colaborativo. Figura 12. Sensoriamento centralizado e descentralizado.

24 Pilha de Protocolos A Figura 13 apresenta um modelo da pilha de protocolos. E em seguida são descritos como cada nível deve trabalhar para o melhor gerenciamento de conexão. Figura 13. Pilha de Protocolos ÍVEL DE APLICAÇÃO DO SE SOR Desenvolver técnicas de sensoriamento que detectem sinais fracos em uma área, maximizar a capacidade de detecção de buracos no espectro por parte do sistema de comunicação cognitiva, sem causar prejuízo às áreas licenciadas em utilização. Essas técnicas devem reduzir o consumo de energia e sobrecarga na rede ÍVEL FÍSICO Responsável pelo gerenciamento de energia. O controle de energia pode ter um ciclo aberto, ou fechado. No ciclo aberto, o controle de qualidade do canal é estimado com base nas estatísticas do canal reverso, partindo da hipótese de que a comunicação do canal tende a ser simétrica. No ciclo fechado, o controle de energia utiliza as estatísticas diretas do canal, tendo como base as atualizações enviadas pelo nó de recebimento. Em conseqüência disto, a espera é maior.

25 ÍVEL DE E LACE Responsável por controlar o acesso ao meio compartilhado e a confiabilidade da transmissão entre os nós. A tecnologia de controle de erro implementada é ARQ e FEC, podendo ser utilizada uma solução híbrida ARQ para diminuir a capacidade de perda na transmissão. Grande parte das tecnologias que trabalham com sistema multicanal utilizam a técnica FDM (Frequency Division Multiplexing) ou OFDM (Orthogonal Frequency- Division Multiplexing) para alocação de canal, e esta alocação na maioria dos casos não leva em consideração as condições deste. Situações como esta podem interferir diretamente em um sistema secundário quando ocorre a transmissão sobre múltiplos canais. Quando se utiliza alocação dinâmica, esta é feita levando em consideração as questões oportunísticas, a situação dos nós, a carga de tráfego da rede primária e os modos de acesso da rede secundária. Num ambiente como este devem ser utilizadas regras que se baseiam no CSMA (Carrier Sense Multiple Access), onde o mecanismo que deseja transmitir deve escutar o meio, detectar se o meio está livre para transmissões. O modelo a ser desenvolvido deve priorizar o tráfego das redes primárias ÍVEL DE REDE Responsável pelas informações de roteamento utilizando caminhos de transmissão com múltiplos saltos. O roteamento na rede de sensores é diferenciado do roteamento das redes tradicionais. Nele, todos os nós sensores têm a mesma responsabilidade em manter informações sobre o encaminhamento dos pacotes, incluindo informações dos vizinhos e direção do protocolo de difusão. O roteamento poderá ser adaptativo, por seleção de caminhos com baixo atraso, pela capacidade de transmissão ou pela taxa de erros do canal.

26 Considerações Gerais Sobre o Ecossistema (Modelo de Negócio) da Rede de Sensores Este modelo de negócio abrange o modo de ação e as relações entre os parceiros, custos de estruturas, receitas e fluxo de custos. Isto pode ser utilizado para quantificar as diferentes opções de cenários. Aspectos que devem ser previstos nas condições gerais de um modelo de negócios são descritos a seguir e mostrados na Figura 14: Aplicações de comunicação dos usuários finais; Proprietário da licença do espectro de rádio; o Operadoras de telecomunicação existentes, fixas e moveis; o Distribuidores de serviço de TV; o Autoridades públicas (Polícia, saúde, aviação); o Organizações militares. Operador de rádio cognitivo que pode utilizar o espectro licenciado; o Operadoras de telecomunicação existentes, fixas e moveis; o Distribuidores de serviço de TV; o Autoridades públicas (Polícia, saúde, aviação); o Organizações militares; o Novas operadoras. Aspectos regulatórios; Corretores de espectro; o Aspectos legais;

27 27 o Proprietário da licença para espectro de rádio; o Outros parceiros. Proprietário da rede de sensores; Vendedor de equipamentos; o Elementos de rádio cognitivo; o Elementos de redes de sensores. Integradores de sistema. Figura 14. Modelo de egócio ou Ecossistema. Alternativas de uso da rede de sensores no modelo de negócio visto: Utilização das redes de sensores na melhora dos planos de negócios - O proprietário do espectro utiliza o recurso para prover serviços de melhor qualidade, por exemplo, suportar serviços das operadoras de serviços 2G/3G, em áreas onde a rede da operadora não tem boa cobertura. Mas isto também deverá ser avaliado conforme a licença de uso do proprietário. O proprietário do espectro vende o recurso para outros que irão operar e ter o controle - O operador deverá implementar os recursos necessários, estações base,

28 28 elementos de rádio e terminais. Neste cenário temos o vendedor e o comprador, isto também poderá ser balizado conforme as condições de licença dos reguladores. Deverá existir um padrão entre a rede cognitiva e a rede de sensores. O proprietário do espectro é responsável quando da quebra de integridade do espectro, do controle da rede e informações de sensores. Neste âmbito talvez serão necessários incluir outros recursos burocráticos e legais entre as partes. Em caso de quebra os custos de implementação e operação devem ser inclusos no provisionamento das receitas. Rádio cognitivo em espectro não licenciado - Neste caso a faixa de freqüência não tem um proprietário, e todos podem operar de forma igual. É algo semelhante com o que ocorre nas faixas de redes locais sem fio, um uso do espectro sem necessidade de licença. Todos poderão utilizar as funções da rede cognitiva para melhorar seus serviços. Um padrão de interface deve ser definido para esse ambiente. Combinação de todas as alternativas vistas anteriormente. - Uma empresa pode ter diversas regras simultaneamente. Ter sua faixa de freqüência e ao mesmo tempo ser uma operadora em outra faixa; Duas operadoras podem vender suas freqüências para operadoras moveis e suprir uma necessidade temporária Questões Reguladoras As comissões reguladoras Européias têm realizado estudos para licenciar novas freqüências e alocá-las dando a alguns países um segundo espectro de freqüência livre. O principal motivo é o aumento na utilização do espectro. Muitos aspectos deverão ser considerados, mas algumas questões ainda não estão muito bem definidas, como: Condições e prazos para expiração de licenças existentes; Mudanças nos modos, condições de licenciamento e questões de vendas a terceiros; Liberação de freqüências para transmissão de TV; Possibilidade de faixas reservadas para utilização de rádio cognitivo.

29 29 O objetivo do projeto é definir as linhas a serem seguidas, mostrar o potencial das redes de sensores e como a regulação poderá trazer diversas vantagens na melhor utilização do espectro. 6. Cenários e Requisitos de Sistema Visando um mercado em potencial, o cenário deverá prover múltiplos serviços com o mesmo recurso de banda e com baixo custo. A idéia do SENDORA é combinar a tecnologia do rádio cognitivo com a tecnologia das redes de sensores, onde a rede de sensores irá monitorar o espectro, melhorando significativamente a habilidade de detecção dos usuários primários comparados as soluções de rádio cognitivo. A rede de sensores deverá ser composta de sensores externos e um nó sensor no terminal do usuário. Os sensores externos farão a detecção dos usuários primários com alta garantia, e os terminais de nós sensores irão melhorar o desempenho do sistema provendo informações detalhadas das áreas onde usuários de rádio cognitivo estão localizados. O SENDORA poderá ser a melhor opção para prover serviços que não necessitem de recursos em tempo real. Serviços em tempo real até poderão ser suportados, mas não serão dadas as garantias de qualidade para os mesmos Critérios para Definição de Cenários Alguns critérios devem ser considerados na análise do cenário de redes sensores auxiliadas por rádio cognitivo, tais como: Mercado em potencial; Facilidade técnica; Facilidade econômica; Facilidade regulatória; Melhor solução; Coexistência com o ecossistema;

30 30 Suporte por parte das autoridades reguladoras locais Tipos de Cenários CE ÁRIOS FIXOS Acesso Em Áreas Rurais A motivação para o acesso em áreas rurais é de disponibilizar às pessoas destas áreas acesso as informações e desenvolvimento tecnológico, Figura 15. Figura 15. Cenário sugerido pelos fabricantes: Philips, Samsung, FT e ETRI. Neste cenário temos a rede caracterizada como WRAN (wireless regional Area network), onde o raio da célula tem 33km e a vazão máxima é de 6Mhz por banda ou 23MBps. Prover acesso em áreas rurais pode ser algo caro, devido às distâncias que existem. Em alguns locais já existe uma infraestrutura cabeada que proporciona acesso de banda larga, mas esse acesso muitas vezes tem sua capacidade limitada devido à distância entre o provedor e o usuário rural. A rede de banda larga através de tecnologias wireless pode possibilitar uma economia e um tempo de reparo significante, já que não é necessária uma infraestrutura de cabeamento para suportá-la. Para isto, necessita-se de uma grande quantidade de espectros

31 31 de freqüência, que poderia ser atendida através de tecnologias de satélite ou terrestre. O problema é que com o uso de satélites a conexão se torna cara o que dificultaria a viabilidade do negócio. No caso da terrestre poderia atender a necessidade utilizando bandas abaixo de 1GHz mas esta faixa de freqüência já é licenciada para outros tipos de aplicações. Medições mostram que mesmo com a maioria do espectro abaixo de 1GHz estar licenciado, a utilização desse espectro é muito baixa. Então a solução é fazer uso do rádio cognitivo para explorar esta oportunidade de uso sem licença Aplicações em Banda Baixa: Leitores de Medição Automática (AMR). É uma tecnologia que coleta informações sob medidas do gás, água e energia com a finalidade de analisar os seus níveis. Durante os últimos anos essa tecnologia tem sido utilizada sem regulamentação, mas a tendência é que seja definida uma regulamentação para medir esses recursos. Países da união européia já implementaram sua regulamentação e utilizam a telefonia móvel (GPRS) ou um padrão wireless para redes AMR. cognitivo: O SENDORA propõe três alternativas de arquiteturas AMR baseadas no rádio Redes de sensores integrados em topologia estrela; Redes de sensores integrados em topologia estrela complementados com uma rede de sensores independentes; Redes de sensores integrados e independentes CE ÁRIOS OMADES Acesso em Áreas: Urbana ou Suburbana e Rural Um serviço de banda larga sem fio é considerado nômade, quando o serviço não tem cobertura móvel, no entanto, um cliente pode razoavelmente esperar encontrar a cobertura do sinal em algumas áreas urbanas, e podem usar a conexão em mais de um local

32 32 fixo, mas não necessariamente estar conectado entre as zonas urbanas. A Figura 16 apresenta um cenário de banda larga nômade baseada em rádio cognitivo. Figura 16. Cenário de banda larga nômade baseada em rádio cognitivo Rede Local sem Fio As redes locais sem fio são um sucesso no mercado devido a alta utilização em domicílios e locais públicos favorecidos pela não necessidade de uso de licença. Em alguns lugares esse tipo de rede sofre grandes problemas de interferência e congestionamento. Redes locais sem fio utilizando rádio cognitivo podem estender a utilização do espectro de freqüência livre de licença. Com isto, outros espectros não licenciados podem ser criados. Algumas características cognitivas já têm sido utilizadas no padrão IEEE , como por exemplo, protocolos que requerem do terminal ou ponto de acesso, que o mesmo escute o canal por um período de tempo antes de transmitir. Na banda de 5GHz,

33 33 dispositivos de radar detectam um espectro como primário e com isto, as estações precisam ouvir os dispositivos de radar e alterar a freqüência de operação Eventos Simples As redes de sensores sem fio auxiliadas por rádio cognitivo podem ser utilizadas para atender eventos esportivos, públicos, ou outras situações onde podemos ter uma grande concentração de pessoas por um período limitado de tempo. Essa cobertura por parte da desta rede será considerada secundária, onde os usuários que tem acesso de terminais móveis ou terminais nômades poderão utilizar-se de uma estação base instalada em cima de um veículo que irá conceder esse acesso por um período Aplicações de Banda Reduzida: Identificação por Freqüência de Rádio (RFID) Muitas empresas desejam monitorar seus ativos dentro da limitação de uma área geográfica, e atualmente sistemas de monitoramento de ativos utilizam-se de uma tecnologia chamada RFID. O RFID pode ser uma etiqueta ativa ou passiva. O RFID passivo não contém bateria e o seu custo é baixo, mas pode ser rastreado por poucos metros. Já o RFID ativo contém uma bateria, que aumenta o poder de transmissão, alcance e custo CE ÁRIOS MÓVEIS Banda Larga Móvel em Área Urbana e Suburbana Este tipo de cenário, a banda larga de alta qualidade é esperada pelos usuários móveis, mas prover esse recurso esbarra na capacidade dos terminais móveis, pois a banda destes terminas é limitada. podemos: Com a independência ou integração dos rádios cognitivos nas redes de sensores Aumentar o acesso e utilização dentro da banda; Aumentar a vazão quando a portadora estiver sobrecarregada; Melhorar a cobertura indoor ou a capacidade dos serviços sob demanda.

34 Banda Larga Móvel em Áreas Rurais. As bandas largas móveis em áreas rurais quando existem se deparam com a baixa demanda de acesso. A capacidade de cobertura não é problema e sim a rentabilidade. As autoridades tentam incentivar a implementação destas bandas nessas áreas a fim de atenuar a ausência digital com relação às áreas populosas Aplicações de Banda Baixa: Localização Automática de Veículos (AVL) São sistemas que coletam informações geográficas sobre a localização de veículos e as submetem a uma central, onde essas informações poderão ser utilizadas para mostrar o posicionamento dos veículos em um mapa. Hoje, esses sistemas realizam a transmissão das coordenadas de GPS através da rede telefônica móvel e em locais remotos através de satélites. Duas arquiteturas são propostas para AVL como base no rádio cognitivo: Encaminhamento das coordenadas de GPS em uma rede de sensores integrados com topologia em estrela; Múltiplos saltos através de uma rede de sensores independentes.

35 35 A Figura 17 mostra um quadro comparativo dos cenários, desenvolvido de acordo com os critérios citados na subseção 6.1. Figura 17. Comparação entre Cenários.

36 36 7. Planejamento das Implementações do Projeto Sendora A Figura 18 apresenta o planejamento das implementações do projeto SENDORA. Figura 18. Planejamento.

37 37 8. Conclusões Espera-se que o conceito do rádio cognitivo venha ser a mais importante técnica na melhora da eficiência na utilização do espectro. Esta tecnologia poderá ser o caminho para o futuro das redes de telecomunicações de alta capacidade, conseqüentemente, grandes impactos são esperados. Enquanto as comunicações de rádio crescem constantemente, autoridades reconhecem que a regulação atual está atingindo seus limites. Em conseqüência disto, o radio cognitivo e a alocação dinâmica de espectro são tecnologias apropriadas, assim como outras atividades de pesquisa no campo das comunicações sem fio. O projeto SENDORA abordou estas questões e sugeriu novas técnicas para prover a coexistência de licenciados e usuários de rede sem fio cognitiva na mesma área. Ao tornar o conceito de rádio cognitivo aplicável, as pesquisas do SENDORA proverão padrões para os grupos e autoridades reguladoras. O projeto também contribuirá para o desenvolvimento dos padrões globais para as redes do futuro. É esperado um impacto da competitividade na indústria de telecomunicações e nas áreas acadêmicas. Além disto, os resultados do SENDORA irão contribuir para fortale cer a posição no desenvolvimento de tecnologias para os serviços do futuro em banda larga sem fio. Novos serviços e oportunidades de negócios também são esperados com o conceito do rádio cognitivo. Os cenários e casos de uso avaliados pelo SENDORA ajudarão a identificar novas oportunidades industriais Análise Qualitativa No projeto SENDORA, vimos à discussão dos recursos e protocolos de forma isolada, atendendo cenários específicos. As limitações das redes de sensores foram identificadas, tais como: banda, processamento, gerência do espectro de freqüência e capacidade de armazenamento, etc.. Quando os recursos trabalharem em conjunto, qual será o impacto na rede, e como será o seu desempenho?

38 38 Quando o tráfego ou o nível de processamento em uma rede atingir um baixo desempenho, devido às limitações nos elementos da rede cognitiva ou da rede secundária, como esse tráfego será tratado (normal, prioritário, ou sofrerá descarte)? Com o aumento de sensores na rede, aumenta-se a granularidade de informações a serem coletadas, e em conseqüência o tráfego. Como otimizar o sensoriamento sem afetar a disponibilidade de canais? Estas e outras questões poderão surgir dentro do projeto SENDORA, assim como suas respostas. Mas atualmente, esse assunto se encontra em aberto. REFERÊNCIA [1]. SENDORA (2007). Web Site. [2]. CHEN, H.-H.; GUIZANI, M. ext Generation Wireless Systems and etworks. John Wiley & Sons, England: 2006.