II SRST Seminário de Redes e Sistemas de Telecomunicações Instituto Nacional de Telecomunicações INATEL ISSN 2358-1913 Março de 2015 Gerenciamento de Espectro em Rádios Cognitivos Guilherme Brasil Frauches & José Marcos Câmara Brito Abstract With the wireless network growing, the radio use become even more important for the modern world communication, due to the fact of the radio frequency allocation is static, this is becoming more and more scarce. The currently radio s design do not take full advantage of the spectrum and is common to find spectrum holes in various geographical locations. The cognitive radio technology is being developed with the main purpose of better utilization of this spectrum, in order that the idle channels will be utilized in an opportunistic and optimized way. Thus, the spectrum management seeks to optimize the use of frequencies in order to promote efficient use of this. In this article, will be discussed the cognitive radio technology, its architecture and the challenges surrounding the management of spectrum radio frequency. In this article, will be briefly discussed the architecture of cognitive radios, the focus is the four techniques that composes the spectrum management. Index terms cognitive radio, dynamic spectrum access, spectrum management. Resumo Com o rápido crescimento das redes sem fio, o uso do rádio torna-se ainda mais importante para as comunicações no mundo moderno. Este rápido avanço e a política de alocação estática do espectro eletromagnético faz com que este espectro de rádio frequência seja, cada vez mais, um recurso escasso para os sistemas de telecomunicações. Os projetos dos rádios atuais não aproveitam ao máximo o espectro e comumente lacunas espectrais são encontradas em diversas posições geográficas. A tecnologia de rádios cognitivos foi proposta com a principal finalidade de melhorar o aproveitamento deste espectro, de forma que os canais ociosos sejam utilizados de maneira oportuna e otimizada. Assim o gerenciamento de espectro busca a otimização do uso do espectro de frequências de forma a promover o uso eficiente do mesmo. O objetivo deste artigo é explorar os princípios da tecnologia de rádios cognitivos, sua arquitetura e os desafios que cercam o gerenciamento do espectro de rádio frequência. Neste artigo são abordadas de maneira breve a arquitetura dos rádios cognitivos, com foco nas quatro técnicas que compõe a função de gerenciamento espectral. Palavras chave acesso dinâmico ao espectro, gerenciamento de espectro, rádio cognitivo. I. INTRODUÇÃO O crescimento na procura por serviços de telecomunicações em banda larga, aliado ao avanço tecnológico dos dispositivos de transmissão de dados, exigem das redes de acesso um ambiente de transmissão com altas taxas de dados e, em muitas vezes, com densa mobilidade. Neste cenário, é notória a procura pelas redes banda larga de acesso sem fio. Como exemplo podem-se citar as redes HSPA (High Speed Packet Access) e LTE (Long Term Evolution) [1]. Para que estas redes operem é necessário um licenciamento prévio do espectro de frequência. Esta alocação estática de grandes porções do espectro reduz drasticamente a quantidade de recursos disponíveis e resulta, em muitos casos, em uma subutilização deste recurso [2]. Estudos mostraram que boa parte do espectro de radiofrequências é subutilizado, em função das características temporais e geográficas da forma como o espectro é atribuído [3]. As bandas de frequências não utilizadas são denominadas lacunas espectrais ou espaços brancos (White Space). Para fazer uso eficiente do espectro subutilizado foram desenvolvidas técnicas de acesso dinâmico que permitem que usuários secundários façam uso do espectro de frequência quando os usuários detentores do direito de uso do espectro, denominados de usuários primários ou licenciados, não o estejam utilizando [4]. A Figura 1 ilustra a ideia de lacunas espectrais e acesso dinâmico ao espectro. Nesta figura é possível observar a variação no tempo e na frequência das lacunas espectrais e que para obter máxima utilização do espectro é necessário frequentemente a transição de uma determinada frequência para outra, acessando o espectro dinamicamente. Desta forma, é possível escolher a melhor frequência a ser utilizada e compartilhar ou não com outros usuários secundários o espectro de frequências. Rádios cognitivos utilizam o conhecimento, em tempo real, do ambiente para adaptar-se dinamicamente, objetivando melhorar sua operação. A tecnologia de comunicação através de rádio cognitivo é baseada em rádio controlado por software. Por meio de programação do software é possível que cada rádio seja programado e configurado dinamicamente, determine sua localização, observe o ambiente em que se encontra e aprenda sobre os recursos de rádio disponíveis. O dispositivo pode ajustar seus parâmetros operacionais, tais como frequência de transmissão, potência, modulação, codificação de canal e múltiplo acesso, para, oportunamente, utilizar as lacunas do espectro de frequência sem interferir na operação dos usuários primários. Formalmente, rádio cognitivo é aquele capaz de alterar suas configurações de transmissão baseado na interação com o meio ambiente [5]. As duas principais características de um rádio cognitivo são: i) capacidade cognitiva e ii) reconfigurabilidade [4]. Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado de Pós-Graduação em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações. Orientador: Prof. José Marcos Câmara Brito. Trabalho aprovado em 09/2014.
Fig. 1. Conceito de lacunas espectrais [3][4][8][12] Capacidade cognitiva é a interação em tempo real com o ambiente de rádio na busca por lacunas espectrais não utilizadas em uma porção específica de tempo ou localidade, de forma a identificar as configurações necessárias para a transmissão e implementá-las conforme o ambiente. Assim, por meio de técnicas avançadas é possível mapear as oscilações no espectro de frequência, escolher a melhor faixa do espectro, dividi-la com outros usuários e explorá-la interferir nos usuários licenciados. Reconfigurabilidade é a capacidade de um rádio cognitivo poder ser dinamicamente programado para receber e transmitir em uma variedade de frequências, assim como utilizar uma variedade de tecnologias suportadas conforme seu projeto de hardware [3][5][6]. A melhor banda do espectro pode ser selecionada, da mesma forma que podem ser estabelecidas as configurações apropriadas, sendo reconfigurados se necessário. Uma das principais tarefas do rádio cognitivo é determinar os espaços brancos disponíveis em sua localização, decidindo por utilizar o espectro de frequência de maneira oportunística sem interferir com os usuários licenciados em sua região. Os dispositivos podem determinar as lacunas de espectro de várias formas: i) o rádio cognitivo pode observar o meio e decidir por si próprio quais as lacunas espectrais disponíveis e qual a mais adequada para suas necessidades [4]; ii) o rádio cognitivo pode observar o meio, detectar as lacunas espectrais estão disponíveis e enviar estas informações para uma rádio base, que decide então qual lacuna espectral deve ser utilizada pelo rádio cognitivo [8]; iii) ou o dispositivo pode obter diretamente da rádio base qual lacuna espectral deve ser utilizada, situação na qual a rádio base possui, tipicamente, um banco de dados que contém informações históricas sobre o espectro disponível em determinada região [8]. Dispositivos cognitivos são capazes de compartilhar informações entre si, a partir das informações recebidas, o dispositivo pode optar por operar na faixa de espectro licenciada ou na faixa não licenciada. Com a operação na faixa licenciada, a prioridade será sempre dos usuários primários, com os usuários secundários podendo utilizar o espectro apenas se este não está sendo utilizado pelos usuários primários. Os usuários secundários são obrigados a deixar de utilizar o espectro sempre que um usuário licenciado aparecer, sendo obrigatório mover-se para outra porção vaga do espectro ou, caso esta não exista, encerrar sua transmissão. Caso esteja operando na banda de espectro não licenciada, todos os usuários com aplicações semelhantes têm a mesma oportunidade de acesso ao espectro, não havendo prioridade de acesso [9]. Uma das funções primordiais para a operação eficiente de um rádio cognitivo é o gerenciamento espectral, que consiste, basicamente, de quatro funções: Sensoriamento Espectral, Decisão Espectral, Compartilhamento Espectral e Mobilidade Espectral [4]. Na fase de sensoriamento espectral os rádios cognitivos determinam quais são as oportunidades espectrais (lacunas espectrais) existentes. Após a determinação de tais lacunas de espectro, é executada a decisão espectral, onde se define qual a melhor lacuna a ser utilizada em função das características da aplicação que utilizará tal lacuna. Como o espectro é compartilhado entre diversas unidades secundárias, faz-se necessária coordenação para que os usuários secundários possam coexistir e acessar o mesmo espectro sem interferir uns com os outros, caracterizando a função de compartilhamento espectral. Na mobilidade do espectro, o dispositivo cognitivo tem que mover-se para outro canal toda vez que um usuário licenciado aparecer no canal utilizado. O objetivo deste trabalho é apresentar uma visão geral do gerenciamento espectral nas redes de rádios cognitivos, apresentando um resumo das principais técnicas utilizadas em cada uma das quatro etapas que compõem a função de gerenciamento espectral. O restante deste trabalho está organizado da seguinte forma: na Seção 2 são apresentadas as técnicas utilizadas para o sensoriamento espectral; na Seção 3 estudam-se o processo de decisão espectral; na Seção 4 são explicadas as técnicas de compartilhamento espectral; na Seção 5 técnicas de handoff espectral são abordas para explicar o processo de mobilidade espectral; as conclusões são apresentadas na Seção 6. Telecomunicações.
II. SENSORIAMENTO ESPECTRAL Uma das funções básicas do rádio cognitivo é realizar o sensoriamento do espectro de frequência. As lacunas de espectro variam no tempo e no espaço, então o dispositivo cognitivo com frequência deve rever sua localização e as lacunas de espectro, pois este pode ter se deslocado geograficamente ou um usuário primário iniciado sua transmissão e ocupado a lacuna espectral. Existem duas categorias principais de sensoriamento do espectro: detecção primária da transmissão e detecção primária da recepção [5]. A detecção primária da transmissão ocorre quando não é identificado no meio a utilização do espectro por um usuário primário, podendo ser considerado como livre para a transmissão do rádio cognitivo. Dentre as várias técnicas existentes [8], podem se destacar: filtro casado, detecção de energia e detecção de características cicloestacionárias. A detecção através de filtro casado é ótima quando na presença de ruído estacionário Gaussiano, pois neste ambiente, a detecção por filtro casado maximiza a relação sinal ruído do sinal recebido, sendo feita a correlação do sinal transmitido com as características já conhecidas do usuário primário. Desta forma, durante a transmissão do usuário primário, o receptor detecta a alta correlação entre o sinal transmitido e as informações armazenadas, identificando assim que o meio está ocupado. Isso exige que o rádio cognitivo tenha conhecimento sobre a camada física do usuário primário. Quando o rádio cognitivo não possui tais informações, a técnica de sensoriamento por filtro casado apresenta um baixo desempenho [7][8]. A técnica de filtro casado é considerada uma técnica rápida para detecção do sinal, pois precisa de pouco tempo para atingir um bom desempenho. No entanto, esta técnica apresenta alto consumo de energia para detecção do sinal, devido a utilização de diversos algoritmos [3][7][8]. Detecção de energia é a técnica de sensoriamento de espectro mais difundida, dada sua baixa complexidade de implementação. Ela também é considerada uma das mais rudimentares, uma vez que não é possível extrair informações precisas sobre a ocupação do espectro. A presença da lacuna espectral é identificada comparando a energia medida com um dado limiar. O desempenho desta técnica é sensível ao nível de ruído, a interferência na banda e ao desvanecimento seletivo em frequência [9]. Para a técnica de detecção de energia nenhuma informação inicial sobre o sinal transmitido é necessária. Nesta técnica, o dispositivo cognitivo mede o nível de energia em certa banda de frequência em determinado intervalo de observação [10]. Se a energia medida está acima do nível pré-estabelecido, o meio é considerado ocupado, caso contrário, se o valor medido está abaixo do nível exigido, o meio é considerado livre e pode ser utilizado por usuários secundários. Uma das ressalvas sobre o método de detecção de energia é que este apenas verifica se há presença ou ausência de sinal, no entanto não consegue verificar se o sinal encontrado foi gerado por um usuário primário ou secundário, além disso, a determinação de ocupação do espectro a partir de um nível pré-estabelecido de energia pode ser afetada pelo nível de ruído presente no ambiente [11]. A detecção de características cicloestacionárias depende das características do sinal, tais como tipo de modulação e frequência da portadora, assim como outras características que apresentem periodicidade [7]. Tais características periódicas são utilizadas para a detecção do sinal do usuário primário, onde normalmente as estatísticas deste sinal (média e função de auto-correlação) são periódicas. Para verificar a presença de sinal, a técnica de detecção cicloestacionária realiza análise do sinal encontrado em busca de diferentes padrões de periodicidade. Desta forma, é possível identificar se há transmissão de usuários na banda avaliada, não sendo necessária a comparação com um limiar preestabelecido como na detecção de energia. Dadas as diferentes características dos sinais transmitidos, os sistemas que utilizam detecção cicloestacionária são capazes de identificar se o sinal transmitido é proveniente de um usuário primário ou secundário. No entanto, para realizar a análise do sinal, é necessária uma quantidade de amostras relativamente alta, o que pode comprometer seu desempenho para pouca quantidade de amostras de sinal. O detector cicloestacionário apresenta melhor desempenho que o detector de energia, por ser mais robusto contra incertezas na potência de ruído, devido ao fato do ruído não apresentar correlação. No entanto requer mais tempo de observação e é computacionalmente mais complexo. [5] O desempenho das técnicas baseadas em detecção primária da transmissão pode ser afetado pelo problema da estação oculta, onde um rádio cognitivo pode estar em uma Fig. 2. Problema da estação oculta a) Incerteza do receptor b) Incerteza por sombra [3][12]
área sombreada [12] e, portanto, não detectar o sinal primário. Normalmente, este sombreamento é causado por algum tipo de obstrução do sinal eletromagnético. Como a posição dos usuários primários não é conhecida pelo dispositivo cognitivo, este último deve utilizar observações locais dos sinais disponíveis, o que torna inevitável a interferência entre os usuários primários e secundários. A Figura 2 descreve duas situações onde o rádio cognitivo poderá tomar decisões erradas sobre a presença de usuários primários em uma região. Em (a), o dispositivo secundário realiza o sensoriamento do espectro, porém como nem todos os dispositivos estão dentro do mesmo alcance do transmissor, este pode ignorar uma transmissão em curso, iniciando sua transmissão, de forma a interferir na transmissão do usuário primário. Em (b), apesar do usuário secundário estar dentro do alcance do transmissor, o sinal encontra-se obstruído, de forma que o usuário secundário entende que o meio encontra-se livre, iniciando sua transmissão, o que interfere na transmissão já em curso do usuário primário. O problema da estação oculta pode ser resolvido através da utilização do sensoriamento cooperativo do espectro ou detecção cooperativa, que permite que os dispositivos cognitivos compartilhem entre si a informação colhida do meio [12]. Como resultado obtém-se melhor desempenho de detecção, porém, ao custo de um aumento na complexidade do sistema e dos algoritmos de decisão [12]. No sensoriamento cooperativo as informações de cada rádio cognitivo são trocadas através de um canal de controle. A partir destas informações é tomada a decisão de utilizar ou não o espectro. O canal de controle pode ser implementado de diferentes formas: através de uma porção de espectro dedicada, de uma banda não licenciada ou através de um sistema underlay [4]. Desvanecimentos por múltiplos percursos e efeitos de sombreamento podem ser mitigados, dado que a probabilidade de detecção em ambientes sujeitos a estes problemas é incrementada. Por outro lado, abordagens cooperativas causam diversos efeitos negativos em redes com recursos limitados, devido ao incremento de tráfego requerido por este tipo de configuração [12]. A técnica de detecção cooperativa é teoricamente mais precisa, pois a incerteza da detecção de um único usuário pode ser minimizada através da colaboração entre diversos usuários secundários [4]. Como há o compartilhamento de informações entre os usuários secundários, a técnica de detecção cooperativa diminui o tempo de sensoriamento realizado por estes, devido à aquisição de informações de outros usuários [4]. A detecção cooperativa pode ser implementada de forma centralizada ou distribuída, sendo que no último há troca de informações entre os dispositivos cognitivos e na forma centralizada é utilizada uma estação central que recebe informações dos dispositivos cognitivos e aloca o espectro disponível. Segundo [7], foi proposto pela FCC o modelo conhecido como temperatura de interferência. Neste modelo, uma faixa de rádio frequência é modelada através da estimação da temperatura de ruído limite de operação da estação receptora, ou seja, são modeladas a potência das emissões indesejadas, somadas as fontes de ruído na entrada do receptor, sendo expressa em Kelvin. Para esta modelagem, se a soma do ruído e da interferência causada pelo dispositivo cognitivo secundário ficar abaixo do limite tolerável pelo receptor (limiar de interferência), é permitido que este transmita em determinada faixa do espectro. A Figura 3 ilustra a situação descrita acima, um sinal licenciado para operar em determinada faixa está sujeito ao ruído inerente do ambiente rádio, chamado de piso de ruído original, seu limiar de interferência também é mostrado nesta figura. Com o surgimento de usuários interferentes na faixa do espectro, é possível notar a formação de picos sobre o piso do ruído original, assim como as oportunidades de acesso ao espectro. Os usuários secundários poderão fazer uso do espectro sempre que suas transmissões estiverem abaixo do limiar de interferência. O modelo de temperatura de interferência apresenta algumas limitações em sua utilização, como a determinação do limiar de interferência, uma vez que o usuário primário pode estar transmitindo a baixa potência. É necessário também que o usuário secundário meça os efeitos de suas transmissões nos usuários primários, tarefa que para ser feita é necessária a correta localização geográfica dos receptores primários; tarefa complexa, pois os dispositivos primários podem ser dispositivos passivos [4]. O modelo também considera a interferência causada por um único usuário secundário, desconsiderando o efeito causado por múltiplos usuários. Outra técnica de detecção é a que explora a fuga de potência do oscilador local do receptor primário. Como o Fig. 3. modelo de temperatura de interferência [3][4][12]
oscilador local do receptor primário é sintonizado para receber determinada frequência, e na entrada do receptor há inúmeras frequências misturadas, o oscilador recebe a frequência desejada e há o retorno das frequências não acopladas, as quais retornam e irradiam pela antena [13]. Aproveitando essa irradiação reversa no receptor primário, nós de baixo custo devem ser construídos próximos a estes receptores, de tal forma que detectem a fuga de potência do oscilador local e assim determinem o canal que está sendo utilizado pelo receptor primário, com esta informação o usuário não licenciado determina a lacuna de espectro para operação [3]. Devido à baixa potência emitida pelo oscilador, a área de abrangência deste método fica limitada a poucos metros. Outra importante forma de acesso às lacunas de espectro é através do banco de dados de geolocalização, onde o dispositivo cognitivo não faz utilização do sensoriamento do espectro para determinação das lacunas espectrais. Utilizando-se de GPS (Global Position System) ou outra tecnologia de localização qualquer, acompanhada de uma verificação na base de dados atualizada com o histórico sobre os transmissores licenciados, é possível identificar todos os transmissores em utilização nas proximidades. Esta base de dados armazena informações sobre todos os transmissores primários e sua localização, assim como informações sobre a topografia do terreno. O uso de banco de dados possibilita o cálculo das lacunas de espectro na atual localização do rádio cognitivo. Em localidades onde as oportunidades de acesso ao espectro sofrem mudanças dinamicamente, este tipo de solução pode não funcionar de maneira satisfatória, pois se há variação de disponibilidade de canais em pequenas escalas de tempo, o custo para manter o banco de dados atualizado pode ser alto [4]. III. DECISÃO ESPECTRAL A partir dos resultados apresentados pelo sensoriamento espectral, o rádio cognitivo deve escolher o canal que melhor atende seus requisitos de qualidade de serviço, garantindo que tal escolha não irá interferir nas transmissões dos usuários primários. Como o rádio cognitivo determina a taxa de transmissão, o modo e a banda de transmissão, então a banda de espectro é escolhida conforme as características do espectro e os requisitos do usuário. Decisão espectral, então, é a capacidade da escolha da banda de espectro pelo dispositivo cognitivo de forma a atender as políticas de qualidade do usuário secundário [3]. A decisão do espectro consiste em três funções: caracterização espectral, seleção espectral e reconfigurabilidade [7]. Estas três funções se correlacionam da seguinte maneira: após a determinação da lacuna de espectro, esta deve ser caracterizada, baseada nas atividades dos usuários primários e nas condições do ambiente rádio. Como o usuário de rádio cognitivo utiliza o canal de forma oportunista, a disponibilidade do canal não pode ser garantida durante a transmissão. Deve-se então modelar matematicamente as atividades do usuário primário de forma que torne previsível as futuras utilizações do espectro por este usuário, a partir do histórico de utilização do espectro. A condição do ambiente rádio é outro fator que deve ser utilizado para caracterizar o canal, baseando-se em interferências, na quantidade de usuários operando no mesmo canal e na potência do sinal recebido. A partir do momento que foi feita a caracterização do canal, o canal que satisfizer os requisitos de QoS do usuário secundário será selecionado. Como última ação, o dispositivo cognitivo ajusta a frequência de transmissão, potência, etc, de forma a tornar possível a comunicação no espectro de frequência escolhido. Como o espectro é heterogêneo e as lacunas são suscetíveis a variações temporais e espaciais, a caracterização do espectro deve abranger o ambiente rádio e as atividades do usuário primário, assim como o rádio cognitivo deve fornecer suporte dinâmico para os possíveis eventos que podem ocorrer, de forma a fornecer comunicação confiável. Para caracterizar o espectro, algumas características devem ser consideradas tais como frequência de operação, largura de banda, interferência com o usuário primário, atraso e taxa de erro de bit e/ou pacote no enlace. Uma vez caracterizado o espectro de frequência, o próximo passo é a seleção do espectro adequado às politicas de qualidade determinadas pelo usuário. Deve ser escolhido o canal com a maior probabilidade de estar ocioso, conforme histórico de informações colhidas de outros dispositivos cognitivos. Esta função deve ser executada todas as vezes que for necessário estabelecer um novo enlace de comunicação. Em [14] são apresentadas técnicas para a melhor seleção de canais em redes centralizadas, dada à inúmera quantidade de canais disponíveis, técnicas avançadas envolvendo transformada de Fourier e teoria dos Jogos são necessárias. Segundo [15], a função de seleção de espectro deve suportar vários recursos para tal seleção, pois em redes descentralizadas o rádio cognitivo pode selecionar múltiplos espectros não contíguos e transmitir informações simultaneamente. Além de caracterizar e selecionar o espectro, o dispositivo cognitivo deve ser capaz de adaptar suas configurações e seus protocolos às especificações do canal a ser utilizado. Para que seja possível transmitir no espectro disponível, deve haver claro entendimento de como as características do espectro se relacionam com a camada física do dispositivo cognitivo. IV. COMPARTILHAMENTO ESPECTRAL Compartilhamento espectral é uma função complexa, porém essencial dentro das funções do rádio cognitivo, esta é referente à coordenação da transmissão do rádio cognitivo permitindo que estes coexistam e compartilhem o meio sem causar interferência uns nos outros. A arquitetura de compartilhamento do espectro pode ser centralizada, baseada em infraestrutura, ou distribuída, sem infraestrutura, também conhecida como ad hoc. Na primeira, uma unidade central é responsável por alocar o espectro e controlar o acesso a este, conforme informações recebidas dos dispositivos cognitivos. Para isso, observações do espectro são realizadas pelos dispositivos cognitivos e as informações colhidas são envias para a unidade central. Ambos, unidade central e dispositivos secundários, são capazes de detectar a presença do usuário licenciado através das diferentes técnicas de sensoriamento abordadas anteriormente. Já na arquitetura distribuída a alocação do espectro e o acesso são realizados por cada dispositivo cognitivo, conforme informações trocadas entre eles e suas políticas individuais de alocação de espectro, sendo desnecessária a utilização de uma unidade central de controle.
A conduta de alocação de espectro por dispositivos cognitivos pode ser do tipo cooperativo ou do tipo não cooperativo. No primeiro caso, os dispositivos cognitivos cooperam entre si, considerando os efeitos de suas transmissões sobre outros usuários de forma a evitar interferência uns nos outros. As informações colhidas são compartilhadas entre dispositivos e estas informações são utilizadas em seus algoritmos de alocação espectral. Este tipo de solução pode existir na forma centralizada ou distribuída, porém essa solução é tipicamente utilizada em arquiteturas de rede centralizada [4][11]. Para a solução não-cooperativa cada dispositivo opera à sua maneira, não considerando outros dispositivos ao realizar suas transmissões. Neste caso é possível ter grande interferência entre os dispositivos cognitivos, o que pode implicar em reduzida utilização do espectro. As técnicas de acesso ao espectro podem ser classificadas de duas formas: overlay e underlay. O sistema overlay utiliza as porções não ocupadas do espectro com banda de guarda para transmissão de usuários secundários, mantendo a interferência com o usuário primário em um nível mínimo, assim o resultado obtido para esse sistema é a mínima interferência nas transmissões, com exploração máxima das lacunas de espectro no domínio do tempo-frequência. Este sistema precisa de informações atualizadas sobre alocação do espectro dos sistemas licenciados, para isso são feitas regularmente medições do espectro, de forma a mapear lacunas espectrais e assim utilizar durante o tempo ocioso o canal licenciado. A técnica de acesso overlay não deverá degradar a taxa de bits do sistema já em operação em determinada frequência e só poderá transmitir enquanto o meio estiver livre. Em caso de aparecimento de um usuário principal, o usuário secundário deve interromper imediatamente sua transmissão, deixando livre o canal, movendo-se para outra banda do espectro que esteja desocupada. A abordagem overlay necessita de mecanismos de detecção e sinalização para tratar a atividade do usuário primário de forma adequada e precisa [16]. A técnica de compartilhamento espectral underlay é utilizada quando a transmissão do usuário primário ocorre simultaneamente com a transmissão do usuário secundário, desde que a interferência gerada por este último esteja abaixo de um limiar aceitável no receptor primário. Esta é uma técnica de alta complexidade, realizada através de rádios sofisticados. Como exemplo temos o compartilhamento espectral underlay através da transmissão em ultra-wideband (UWB) onde o sinal transmitido é espalhado em uma banda ampla do espectro, porém a densidade de potência espectral deste sinal deverá estar abaixo nível de ruído admitido pelo receptor primário [9]. Em sistemas underlay os transmissores secundários limitam a potência de saída de tal forma que o sinal permaneça abaixo do nível de ruído no receptor primário, desta forma as restrições deste sistema são amplas, pois fica limitado a uma pequena taxa de transmissão. Ainda que a potência de transmissão seja baixa, não é garantido que a interferência seja conhecida no receptor primário, sendo um grande desafio neste tipo de sistema a determinação precisa da interferência neste receptor. A utilização do sistema underlay é mais comum no espectro licenciado, porém este pode ser utilizado também na banda não licenciada, proporcionando diferentes QoS para diferentes tipos de usuários. Ambos os sistemas apresentam vantagens e desvantagens. No caso do sistema underlay, o usuário secundário não precisa identificar oportunidades no espectro, podendo transmitir simultaneamente com os usuários primários, porém não está autorizado a aumentar a potência de transmissão, mesmo que o espectro não esteja sendo utilizado. Já o sistema overlay pode transmitir com alta potência para aumentar a de transmissão de dados, porém é necessário identificar as faixas de frequências que não estão sendo utilizadas. Pelo fato das redes de rádios cognitivos proporcionarem o acesso oportunista ao espectro, é possível que muitas das operações realizadas sobreponham o espectro de duas ou mais redes. Daí a necessidade do modelo de compartilhamento espectral baseado em infraestrutura ser dividido em intra-celular e inter-celular. O compartilhamento intra-celular está relacionado ao compartilhamento do espectro entre dispositivos cognitivos dentro da mesma rede. No outro tipo de compartilhamento de espectro, inter-celular, o compartilhamento do espectro é feito entre redes distintas na mesma região, quando a qualidade de serviço da rede torna-se pior ou abaixo do nível garantido, o dispositivo cognitivo inicia o compartilhamento de espectro inter-celular, ajustando-se à sua reserva espectral [17]. A Figura 4 ilustra a situações expostas anteriormente. É possível verificar através da figura 4 a maneira como as redes se sobrepõem e como é feita a comunicação dentro do espectro da mesma rede, por exemplo, rede da operadora 1. Na área de sobreposição temos a caracterização do compartilhamento inter-celular, uma vez que o mesmo dispositivo é atendido pelas redes das operadoras 1 e 2. No compartilhamento espectral, duas são as abordagens clássicas: modelo de alocação exclusiva e modelo de uso comum [14]. No modelo de alocação exclusiva, cada usuário de rádio cognitivo é alocado em um canal diferente, para minimizar a interferência entre estes. Este modelo maximiza a capacidade de utilização da rede, mas em redes com espectro limitado a alocação de recursos pode não ser a ideal. No modelo de uso comum, muitos usuários de rádios cognitivos podem simultaneamente utilizar o mesmo canal, ajustando a potência de transmissão de forma a minimizar interferências entre eles. Tal modelo é preferido para redes com escassez de lacunas espectrais, provendo assim uma distribuição mais igualitária do espectro. No entanto, a capacidade da rede disponível é inferior ao modelo exclusivo.
Fig. 4. Compartilhamento intra-celular e inter-celular em redes cognitivas [3][4][12] Segundo [18], quando a interferência entre os usuários é alta, os usuários não-cooperativos devem ser analisados segundo a teoria dos jogos. Como resultado, quando a interferência entre vários usuários é alta, a abordagem overlay é mais eficiente que a abordagem underlay. Estudos mostram que a perda pela não cooperação é pequena e tende a desaparecer com o incremento da relação sinal ruído. O método overlay apresenta menor taxa de bits, dado as imperfeições no sensoriamento do espectro, assim o dispositivo que utilizada o método overlay poderá transmitir no canal que está sendo utilizado pelo usuário primário. No entanto, se for utilizado o método underlay com prevenção de interferência, a interferência no usuário primário poderá ser minimizada. V. MOBILIDADE DE ESPECTRO Após o dispositivo cognitivo encontrar um canal disponível e iniciar sua transmissão, um usuário primário pode aparecer repentinamente no mesmo canal. Neste caso, o usuário secundário deve se mover para outro canal que esteja ocioso, deixando vago o canal para o usuário licenciado, evitando interferir em sua comunicação. Outro ponto importante para a troca de um canal por outro pode estar na qualidade de serviço obtida no novo canal disponível, mais adequada as necessidades de transmissão do que a apresentada pelo canal anterior. A capacidade de alteração da faixa de frequência de transmissão e gerenciamento da conexão é definida em [12] como mobilidade de espectro. Mobilidade de espectro é o processo da realização de uma transição segura de um canal para outro canal disponível, sem causar prejuízos na transmissão de dispositivos primários, sempre que o usuário secundário identificar a presença de um usuário primário no meio [10]. Dois processos compõem a mobilidade do espectro: handoff de espectro e o gerenciamento de conexão. Handoff de espectro é o processo de troca de canal, quando este não está mais disponível, adaptando os protocolos e configurações do rádio cognitivo, de forma a atender as necessidades do novo canal almejado. O processo de handoff de espectro deve ocorrer de forma suave e de maneira que o usuário secundário tenha mínima percepção da troca ocorrida, logo a degradação na taxa de bits dever ser mínima. O processo de gerenciamento de conexão é utilizado para compensar atrasos no processo de handoff, administrando o processo de handoff e ajustando suas configurações conforme a situação existente. Alguns eventos podem disparar o processo de handoff de espectro: um primeiro evento é o aparecimento de uma unidade primária em um canal ocupado pela unidade secundária, outro evento é o deslocamento espacial da unidade secundária para outro local onde um usuário primário já ocupe este canal e, por último, a degradação da qualidade do enlace de comunicação [19]. O processo de handoff de espectro é cíclico e consiste de duas fases, a avaliação do enlace e a fase de manutenção. Na fase de avaliação, a unidade secundária permanece monitorando o enlace para determinar se houve algum evento que resultasse em handoff. Após a avaliação do enlace, a unidade secundária se move para a próxima fase chamada de manutenção, caso tenha ocorrido o handoff, a unidade secundária para de transmitir e continua a transmissão em outro canal disponível. Por fim, após a fase de manutenção, o dispositivo secundário retorna ao ciclo. É importante notar que é possível trocar de canal em ambas as fases do processo de handoff, dependendo do tipo de handoff que esteja sendo utilizado [19]. Como apontado anteriormente, é possível trocar de canal em ambas as fases do processo de handoff e para suportar tal atividade existem dois mecanismos de handoff conhecidos: handoff reativo e handoff pró-ativo. No primeiro caso, apenas quando é detectada a presença de um usuário primário no canal que o usuário secundário procura outro canal disponível, comutando o espectro e reconfigurando suas interfaces de rádio frequência. Com a utilização do handoff reativo, a transmissão do usuário secundário é frequentemente interrompida para sensoriamento do canal e verificação do retorno do usuário primário; não identificada a presença do usuário primário, a transmissão é retornada. Segundo [20], não há atraso nas reconfigurações e interrupções na transmissão que possam ser ignoradas tanto para o usuário primário quanto para o secundário. Os mecanismos pró-ativos podem ter objetivos diversos [20], pois caso o usuário secundário precise utilizar maior banda do espectro, será feito periodicamente o
sensoriamento do espectro na busca de canais disponíveis de forma a aumentar a banda utilizada. Ainda em [21] são apresentadas mais duas razões para o sensoriamento periódico do espectro, que seria a antecipação da mudança de canal antes da ocupação do mesmo pelo usuário primário e a possibilidade de ordenação dos canais segundo alguns critérios de qualidade de handoff. As informações coletadas podem servir para o usuário secundário prever o retorno do usuário primário ao canal e assim ser possível a troca do espectro antes do retorno, a estimação de utilização do canal pelo usuário primário pode reduzir drasticamente as colisões entre usuários. Comparada com o mecanismo reativo, este tipo de abordagem requer maior necessidade de overhead, porém apresenta vantagens, como menor tempo de busca por espectro livre e menor interferência no dispositivo cognitivo primário. Devido a sua complexidade, o gerenciamento de mobilidade em rádio cognitivo é cercado de desafios, como o desenvolvimento de algoritmos de decisão do melhor canal para transmissão, baseado nos requisitos de QoS do usuário secundário, perda de pacotes e particularidades da banda de espectro livre [3]. VI. CONCLUSÕES O desenvolvimento da tecnologia de rádios cognitivos é uma tentativa de resolver o problema de escassez do espectro de rádio frequência. Rádios com tecnologia diferenciada das atuais, capazes de identificar espaços vagos no espectro de frequência e automaticamente se reconfigurar de forma a poder utilizar a frequência disponível, são as apostas para o melhor aproveitamento do espectro no futuro. As funções de gerenciamento de espectro abordadas neste trabalho são fortes aliadas para o melhor aproveitamento do espectro vago e para a melhor utilização do espectro eletromagnético, uma vez que para aumentar a utilização do espectro, o rádio cognitivo deve ser capaz de verificar o meio, decidir sobre a melhor faixa a ser utilizada e no momento certo abandonar o canal utilizado, caso ocorra o aparecimento de um usuário primário. No entanto, muito ainda precisa ser estudado e desenvolvido para sua perfeita utilização nos rádios da próxima geração. Dispositivos cognitivos representam o futuro da comunicação sem fio onde cada vez mais será necessário conhecer o ambiente rádio e gerenciá-lo de maneira otimizada na busca das preciosas lacunas de espectro. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] M. Ola Ashour, E. Khalil, and M.Miguel, A Survey of Cognitive Radio Management Functions, The Fourth International Conference on Advances in Cognitive Radio, 2014, pp. 6 11. [2] P. 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José Marcos Câmara Brito possui graduação em Engenharia Eletrica enfases em Eletronica e Telecomunicacoes pela Fundação Instituto Nacional de Telecomunicações (1986), mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) (1998) e doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas (2003). Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Redes de Telecomunicações, atuando principalmente nos seguintes temas: redes de telecomunicações, comunicações sem fio, análise de desempenho de redes, comunicações digitais e controle de erro.