2010 Rádios Cognitivos Proposta ao Prémio PLUG 2010 Nuno Borges Carvalho, José Neto Vieira, Arnaldo Oliveira, Pedro Cruz, Daniel Albuquerque e Nelson Silva Departamento de Electrónica, Telecomunicações e Informática Universidade de Aveiro 15/10/2010
2 R Á D I O S C O G N I T I V O S SUMÁRIO EXECUTIVO Neste documento apresenta-se uma proposta de sistema de rádio cognitivo que se julga irá revolucionar dentro em breve as comunicações sem fios via rádio frequência. Neste documento apresenta-se inicialmente o conceito deste tipo de rádios e explicamse de forma breve e simplificada a ideia dos investigadores em construir um destes rádios, aproximando a sua construção ao ouvido humano, ou mais especificamente à cóclea humana, que permite de forma biológica detectar sinais com picos de amplitude elevada e picos de amplitude baixa simultaneamente. Este tipo de configuração irá permitir construir de forma eficiente rádios cognitivos e permitir aos operadores de telecomunicações partilhar o espectro de forma mais optimizada e completamente liberalizada, criando uma revolução na componente legal de gestão de espectro e subsequente taxação das comunicações sem fios. Os rádios cognitivos irão ainda permitir a verdadeira interligação de diferentes rádios com normas de operação diferentes e a operar com configurações diferenciadas, permitindo desta forma melhorar as comunicações em situações de congestão do espectro rádio eléctrico ou em situações de emergência. O documento está organizado da seguinte forma, em primeiro lugar é realizada uma breve introdução aos sistemas, seguindo-se uma breve explicação dos sistemas de rádio propostos. Finalmente são apresentados alguns serviços que se espera serão possíveis de implementar com estes rádios.
3 INTRODUÇÃO Software Defined Radio, ou Rádios Controlados por Software já iniciaram a sua fase de maturação e conquista das arquitecturas tradicionais de projecto rádio, pelo facto de terem alterado a parte banda base do rádio completamente para o domínio digital primeiro e depois para a sua implementação por software que corre num banal processador. Este facto permite-lhes que o rádio seja optimizado e adaptável automaticamente pela simples mudança de software. No entanto, espera-se que a próxima fronteira seja a implementação de arquitecturas de rádio cognitivas, RC, ou seja rádios com a capacidade de tomar decisões para maximizar a taxa de transmissão e/ou a qualidade do serviço. Este novo paradigma de RC é tão forte que se espera que crie uma revolução equivalente ao que foi anteriormente criado com a passagem do mundo analógico para o mundo digital. Estas configurações permitirão uma optimização real da ocupação espectral, assim como a implementação e construção do rádio universal, aquele que pode comunicar com qualquer outro, tomando decisões sobre o seu funcionamento, independentemente da sua implementação inicial. O conceito futuro está apresentado na Fig.1. Figura 1 Rádio Cognitivo Mas para atingir estas funcionalidades a arquitectura rádio tem de ser completamente repensada, especialmente a necessidade de capacidade de processamento digital é muito elevada, pois o rádio terá de ser capaz de tomar decisões em tempo real para uma comunicação eficiente e optimizada.
4 Este processamento deverá ser implementado do ponto de vista digital, mas também do ponto de vista analógico, muitas das vezes negligenciado. De facto na última reunião do SDR Fórum, foi concluído que a grande barreira entre a teoria RC e a implementação está na necessidade e importância de investigação na componente de front ends analógicos adaptáveis, usualmente chamados de rádios ágeis, Agile Radios. Ora a proposta aqui apresentada a prémio visa exactamente estudar e implementar a camada física de um Agile Radio, incluindo a parte analógica, mas também com um conhecimento profundo da parte digital. A maior dificuldade para a implementação destas arquitecturas está relacionada com as não idealidades dos sistemas analógicos, quer em largura de banda quer em fenómenos não lineares devido à amplitude elevada do sinal. Por essa razão o estudo correcto dos modelos comportamentais da parte analógica, assim como o estudo dos sinais que irão ser recebidos e transmitidos, permitirão à parte digital adaptar-se convenientemente, quer na transmissão criando sinais pré-distorcidos e por isso adaptáveis às não linearidades do transmissor, garantindo a máscara espectral pré-determinada, quer na recepção por compensação da interferência criada por jammers ou pela compensação das não idealidades dos componentes analógicos. Além disso em presença de um rádio com estas capacidades vários novos paradigmas serão criados, por exemplo a gestão de espectro poderá tornar-se completamente livre e sem recurso a regras rígidas de pré-alocação de espectro por operador como existem hoje, além disso os serviços que cada rádio poderá disponibilizar podem ser verdadeiramente universais, pois os rádios adaptar-se-ão ao meio e por sua vez à comunicação mais eficiente. Complementando esta proposta, a optimização dos componentes de hardware do rádio permitirá poupanças consideráveis de energia, quer por utilização de receptores e transmissores mais eficientes, quer por utilização de outras formas de transmissão/recepção utilizando valores baixos de energia. A proposta apresentada neste documento permitirá projectar e construir um destes rádios, de forma eficiente, e viabilizar os conceitos mais avançados de gestão de espectro que se têm desenvolvido na última década. SISTEMAS DE RECEPÇÃO E TRANSMISSÃO EFICIENTES Os sistemas actuais de transmissão/recepção de rádio são tipicamente analógicos e projectados para um fim específico, significando que um rádio móvel GSM apenas poderá ser GM, ou um rádio 3G será apenas um rádio 3G. No entanto as mudanças dos protocolos e dos sistemas de rádio têm criado uma panóplia de actualizações de software e de hardware significativo, com custos elevados para os operadores e para os clientes finais. Além disso os rádios actuais usualmente utilizam e operam a uma frequência prédefinida, tipicamente por imposições legais e devido a uma gestão de espectro baseada no aluguer de um determinado espaço espectral.
5 O conceito de Software Defined Radio (SDR) foi pela primeira vez referido no artigo [1] de J. Mitola em 1995. Neste artigo Mitola propôs-se desenvolver um rádio completamente configurável por software permitindo o máximo de adaptabilidade a diferentes cenários de comunicação. O conceito do receptor SDR é apresentado na figura 2. LNA ADC DSP Figura 2 Conceito do Software Defined Radio Esta solução sofre no entanto de vários problemas que levam a que na prática não se consiga aproveitar todo o potencial da solução. ELEVADA GAMA DINÂMICA Na solução da figura 2 o amplificador de entrada e a ADC terão de ter uma elevada gama dinâmica, muito superior às soluções clássicas em que a sintonia é realizada pelo menos parcialmente no domínio analógico. O aumento da largura de banda do sinal a digitalizar faz com que a relação PAPR se degrade proporcionalmente. Este facto coloca um enorme desafio às ADCs que para além de necessitarem de uma maior frequência de amostragem para fazer face ao aumento da largura de banda do sinal a converter têm ainda de possuir um maior número de bits de conversão de modo a representar correctamente os sinais recebidos [2]. BLOCKING Quando se pretende realizar a desmodulação simultânea de vários sinais modulados segundo diferentes normas, a amplitude com estes chegam ao receptor pode variar de forma considerável. Assim, a presença de um sinal de forte amplitude em simultâneo com um outro, que por o emissor estar mais distanciado é captado com uma amplitude muito reduzida, leva a que quando o ganho do LNA é ajustado para este último, ocorra saturação do LNA ou do ADC. Ocorrerá assim um fenómeno conhecido por blocking e que inpede a correcta desmodulação do sinal de mais fraca amplitude [3]. Estes dois problemas têm sido estudados intensamente e mais recentemente apareceram algumas soluções inovadoras que fazem uso de um andar de entrada que separa o sinal em várias bandas [4]. Esta separação permite resolver os dois problemas anteriores de forma eficaz. Sendo possível utilizar ganhos diferentes para as diferentes bandas levando a que o efeito de blocking seja mitigado. O PAPR em cada uma das bandas é igualmente reduzido levando a que se possa utilizar ADCs com um número de bits reduzido. Além disso, a reduzida largura de banda leva a que as ADCs possam trabalhar a uma frequência de amostragem mais reduzida.
6 LNA ADC LNA RF Coclea DSP LNA ADC Figura 3 Nova proposta para o Software Defined Radio NOVAS CONFIGURAÇÕES DE RECEPÇÃO/TRANSMISSÃO As novas soluções apresentadas nesta proposta baseiam-se na utilização da cóclea, ou seja no ouvido humano, que permite de uma forma biológica criar um analisador de espectros de forma eficiente e maximizada para receber sinais com uma gama dinâmica elevada, figura 4. Figura 4 Cóclea humana. Ora o que se pretende com a proposta actual não é mais do que representar de uma forma digital e electrónica este tipo de sistema, figura 5.
7 Figura 5 Cóclea digital. Esta configuração conceptual apresentada na figura 5, pode de facto ser construída de uma forma eficiente e altamente optimizada como se pode ver na figura 6, na qual foi implementada com linhas de transmissão. Figura 6 Implementação da cóclea digital. Estes sinais desta cóclea serão posteriormente processados por tecnologia digital utilizando configurações avançadas de sistemas de recepção digitais, figura 7.
8 Figura 7 Configuração digital de recepção em que o BPF pode ser implementado por uma cóclea digital. Os sinais digitais serão posteriormente processados por FPGA s disponíveis actualmente, com capacidades equivalentes a milhões de portas lógicas, quer na forma de recursos programáveis, quer fixos, tais como tabelas de verdade, memórias, macrocélulas DSP, processadores de uso geral, controladores para protocolos de comunicação e blocos de entrada/saída configuráveis, possibilitam o projecto rápido e flexível de sistemas digitais complexos integrados num único dispositivo. Esta tecnologia de implementação veio revolucionar o projecto de sistemas digitais, permitindo a construção rápida e a custos razoáveis de sistemas integrados especializados para uma dada aplicação. Devido à sua reconfigurabilidade, elevada capacidade lógica e nível de desempenho, as FPGAs são cada vez mais a plataforma usada no desenvolvimento flexível de sistemas complexos no domínio das telecomunicações, uma vez que, tal como já foi referido, suportam a implementação nos seus recursos programáveis quer de lógica arbitrária, quer de núcleos predefinidos de propriedade intelectual (processadores, controladores, memórias, interfaces, etc.). Numa única FPGA de capacidade lógica adequada pode ser incluído um ou vários núcleos de processadores a executar o software de uma dada aplicação, os módulos de hardware específicos do sistema e toda a lógica e elementos de interligação dos diferentes blocos. Além disso, devido à capacidade de reconfiguração (parcial) dinâmica disponibilizada em algumas FPGAs, a qual consiste na possibilidade de efectuar, em pleno funcionamento, a reprogramação dos seus recursos de hardware e consequentemente da funcionalidade do sistema, as FPGAs podem em muitos casos ser usadas para integrar de forma flexível as unidades de processamento e os controladores de comunicação, permitindo a adaptação do sistema a diferentes cenários de operação e a realização de actualizações sempre que necessário. POTENCIAIS SERVIÇOS BASEADOS EM RÁDIO COGNITIVO A implementação do conceito RC motivará por um lado o surgimento de novos serviços e, por outro, o aparecimento de soluções mais eficientes para serviços já existentes.
9 Uma das aplicações mais promissoras deste tipo de tecnologia é o aumento da eficiência de ocupação do espectro usando rádios oportunistas, em que o rádio vai utilizar o espectro que não está a ser usado num dado momento. De modo a ser possível implementar esta solução ideal, o rádio deveria ver (analisar) todo o espectro (ou pelo menos uma banda suficientemente larga) e as respectivas comunicações activas num dado momento. Esta abordagem poderá, entre outras aplicações, ser usada para aumentar a fiabilidade em sistemas de comunicação sem fios de segurança crítica, dos quais as comunicações veiculares são um bom exemplo. Prevê-se que num futuro próximo todos os tipos de veículos motorizados, como carros, autocarros e camiões sejam capazes de operar em rede, partilhando informação entre eles, desde dados sobre o congestionamento de tráfego e estado da via, até sinais de alarme relativos a acidentes ou potenciais situações de perigo. Desta forma será possível efectuar decisões de navegação e segurança com base em mensagens que são enviadas pelos nós vizinhos da rede constituída quer pelos veículos, quer pela infra-estrutura fixa suportada pelo operador ou concessionário da via. Além disso, as comunicações veículoa-veículo e entre veículo e a infra-estrutura abrem novas oportunidades de aplicações em cenários impensáveis até há bem pouco tempo, incluindo a disseminação de informação baseada em localização, social networking e jogos interactivos e distribuídos. Para suportar estes serviços encontram-se neste momento em fase de desenvolvimento e de standardização diversas normas que definem uma pilha protocolar para comunicações veiculares DSRC (Digital Short Range Communications) na gama dos 5.9 GHz. Um dos cenários em que as comunicações veiculares poderão trazer maiores vantagens aos condutores mas onde existem mais problemas por resolver (ao nível do controlo de acesso ao meio) são os ambientes densos em que ocorrem rajadas de eventos resultantes de situações de perigo (e.g. acidentes) em vias altamente movimentadas (e.g. auto-estradas com um número considerável de faixas e níveis elevados de congestionamento). Devido ao mecanismo usado no controlo de acesso ao meio por parte do nós da rede (baseado em CSMA-CA) a eficiência da rede diminui drasticamente com o aumento do número de nós, devido a um número crescente de colisões entre mensagens, subindo a latência das comunicações para valores incompatíveis com os requisitos deste tipo de aplicações de segurança crítica. Se neste tipo de cenários, os nodos forem RC e capazes de usar bandas do espectro que se encontrem livres, o problema é minorado ou mesmo resolvido através do aumento da largura de banda total disponível. A utilização de bandas do espectro pode ser feita ad-hoc pelos nodos com capacidades de RC e através de mecanismos de análise espectral ou, alternativamente moderada por uma entidade (e.g. reguladora ou gestora da via) a qual atribuirá os recursos espectrais em função das necessidades, disponibilidades e optimizados do ponto de vista geográfico. De uma forma mais genérica, a combinação de mecanismos de análise espectral em tempo-real com a alocação dinâmica do espectro (ad-hoc ou regulada) tornará muito mais eficiente a sua utilização, eliminando a pré-locação estática do espectro existente actualmente.
10 Finalmente uma das áreas de intervenção deste tipo de sistema baseia-se na possibilidade de interligação de diversos rádios em situações de emergência, caso por exemplo de interligação do sistema TETRA da protecção civil com rádios de comunicações móveis, GSM, 3G etc. Desta forma mesmo sem redes de comunicação existentes, que em caso de catástrofe poderão falhar, será sempre possível manter a comunicação e possivelmente localizar os sistemas de forma imediata utilizando um comutador inteligente de rádio cognitivo. REFERÊNCIAS [1] J. Mitola, "The Software Radio Architecture", IEEE Communications Magazine, Vol.33, N.5, pp.26-38, May 1995. [2] P. Cruz, N. Carvalho, K. A. Remley, "Evaluation of Nonlinear Distortion in ADCs Using Multisines", International Microwave Symposium, IEEE, June 2008. [3] Hee Seung Han, Jae Hong Lee, "An Overview of Peak-to-Average Power Ratio Reduction Techniques for Multicarrier Transmission", IEEE Wireless Communications, Vol.12, N.2, pp.56-65, April 2005. [4] Christopher J. Galbraith, Robert D. White, Lei Cheng, Karl Grosh and Gabriel M. Rebeiz, "Cochlea-Based RF Channelizing Filters", IEEE Transactions on Circuits and Systems-I: Regular Papers, Vol.55, N.4, pp.969-979, May 2008 [5] Asemani, Davud and Oksman, Jacques and Duhamel, Pierre, "Subband Architecture for Hybrid Filter Bank A/D Converters", IEEE Journal on Selected Topics in Signal Processing, Vol.2, N.2, pp.191-201, April 2008 [6] Asemani, Davud and Oksman, Jacques and Poulton, Daniel, "Digital Estimation of Analog Imperfections Using Blind Equalization", 14th European Signal Processing Conference, Florence, Italy, 2006