Mestrado em Telecomunicações TP 525 Redes Convergentes Carlos Emílio Cordeiro carlos_facet@hotmail.com José Carlos Basílio dos Santos jose.basilio@inasp.edu.br
SENDORA O PROJETO SENDORA - SEnsor Network for Dinamyc and cognitive Radio Access Proposto em 2007; Iniciado em Janeiro de 2008 com o propósito de estudar as redes de sensores auxiliadas com o rádio cognitivo; Duração: 3 anos. O Projeto é uma parceria de diversas instituições: 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; 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; Universidades de Roma, Valência, Suécia, Finlândia entre outras. 2
SENDORA O PROJETO SENDORA Grupos de Trabalho WP1 Gerenciamento das atividades WP2 Definição de cenários WP3 Sensoriamento do espectro WP4 Atuação cognitiva WP5 Responsável pela colaboração das comunicações nas WSN, projetando técnicas para o nível físico. WP6 Desenvolve a pilha de protocolos fim-a-fim com a rede de sensores WP7 Integração das técnicas desenvolvidas com o ambiente real WP8 Dedicado a divulgação das atividades desenvolvidas 3
SENDORA O PROJETO A distribuição dinâmica do 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. 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. Tecnologia de RÁDIO COGNITIVO. MOTIVAÇÃO Exploração dos recursos de espectro de rádio que são subutilizados. 4
SENDORA ANÁLISE DO ESPECTRO DE 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. 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. 5
SENDORA ANÁLISE DO ESPECTRO DE FREQÜÊNCIA 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. E em alguns casos, não há banda nem canal disponível. Na condição atual, a expansão de novas aplicações em sistemas de comunicações sem fio esta bastante 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. 6
SENDORA ANÁLISE DO ESPECTRO DE FREQÜÊNCIA 7
SENDORA ANÁLISE DO ESPECTRO DE FREQÜÊNCIA A tecnologia de rádio cognitivo oferece uma possível solução para a alocação do espectro, aumentando a sua disponibilidade, utilizando o SDR (Rádio Definido por Software) visando atender futuras implementações. 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 ou licenciados. O projeto SENDORA desenvolve uma abordagem de apoio para a coexistência dos usuários licenciados e não licenciados na mesma área. 8
SENDORA ANÁLISE DO ESPECTRO DE FREQÜÊNCIA NOVAS FORMAS DE UTILIZAÇÃO DO ESPECTRO Licenciado Exclusivo: Utiliza o modelo do licenciado exclusivo; Não Licenciado Puro: Utiliza o modelo do não licenciado; Não Licenciado compartilhado: usuários com dispositivos não licenciados poderão compartilhar o uso do espectro com dispositivos licenciados; Contrato de sublocação. 9
SENDORA ANÁLISE DO ESPECTRO DE FREQÜÊNCIA NOVAS FORMAS DE UTILIZAÇÃO DO ESPECTRO Não Licenciado Oportunista: Compartilhamento oportunista significa obter vantagens do espectro não utilizado em faixas licenciadas. O rádio cognitivo através de um mecanismo de sensoriamento, monitora o espectro. Caso ele detecte o início de atividade, por um usuário licenciado, ele imediatamente libera esta parte do espectro. Em seguida procura outro canal para restabelecer uma nova rede de comunicação. 10
SENDORA OBJETIVOS DO PROJETO 1. Identificar e analisar os cenários de negócios para as redes de sensores wireless auxiliadas por rádio cognitivo; 2. 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; 3. Desenvolver uma arquitetura flexível e reconfigurável. Através de provas demonstrá-la nas redes de sensores auxiliadas por rádio cognitivo. 11
SENDORA ARQUITETURA DO PROJETO Nesta arquitetura a rede de sensores sem fio se comunica com a rede primária. Monitora o espectro utilizado e identifica os buracos disponíveis. As informações são enviadas para a rede secundária e os usuários da rede secundária estão prontos a se comunicarem, sem causar danos na rede primária. 12
SENDORA CLASSIFICAÇÃO DA ARQUITETURA 1. Redes de sensores independentes auxiliadas por rádio cognitivo É disposta em uma área por um operador, e os usuários poderão se comunicar com a rede e obter informações sobre o espectro, ou instruções de como utilizá-lo. 2. Redes de sensores integradas auxiliadas por rádio cognitivo Há dependência das redes de sensores. Os sensores monitoram os processos, detectam o modo e oportunidades de transmissão. 13
SENDORA DEFINIÇÕES EXISTENTES NA ARQUITETURA Sistema de rádio cognitivo - É o ciente do estado interno, do ambiente e toma as decisões baseadas nas necessidades e informações pré-definidas; 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 processando-os obtendo informações do espectro utilizado na área coberta. Uma rede de sensores pode ter uma, várias ou nenhuma unidade central de fusão; 14
SENDORA DEFINIÇÕES EXISTENTES NA ARQUITETURA Redes de sensores sem fio - Uma rede de sensores de detecção por espectro, onde a comunicação tanto de origem como destino é sem fio; Cenários Fixos Cenário onde os rádios são montados de forma permanente em antenas externas; Cenários nômades - Os terminais ficam fixos quando conectados na rede, e podem-se mover quando desconectados. E então conectam-se em outra rede de nova localização; 15
SENDORA DEFINIÇÕES EXISTENTES NA ARQUITETURA 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. Rede de rádio secundária - Rede que tem os direitos de utilização de uma freqüência de banda de forma secundária. Só utiliza a freqüência quando a rede primária não estiver utilizando. 16
SENDORA 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. 17
SENDORA COMUNICAÇÃO NA REDE Os sensores monitoram freqüências de acordo com um agendamento. As medidas são feitas a cada período de tempo. As informações são transmitidas para o fusor central. Com as medidas e 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 é formado pelos mapas de todas freqüências. 18
SENDORA COMUNICAÇÃO NA REDE Para as unidades secundárias utilizarem freqüências disponíveis na rede primária, necessitam do mapa de informações de freqüências. Com base nestas informações, o fusor central aloca a freqüência e a potência para os usuários secundários. A interferência produzida pelos usuários secundários deve ficar abaixo do valor definido no sistema primário. A alocação é válida por um período de tempo, definido pelo sistema primário e comunicada pelo fusor central. 19
SENDORA COMUNICAÇÃO NA REDE PRÓ-ATIVA Na comunicação PROATIVA, o fluxo de mensagens de sensoriamento ocorre de maneira independente das solicitações da rede secundária. 20
SENDORA COMUNICAÇÃO NA REDE - REATIVA Na comunicação REATIVA, o fluxo de mensagens de sensoriamento é coordenado entre a rede secundária e a rede a sensores. 21
SENDORA COMUNICAÇÃO NA REDE OBTENDO FREQUÊNCIA A unidade secundária solicita do fusor central um espectro de freqüência. Na solicitação estão presentes, informações de localização, potência de energia ou distância. A unidade secundária aguarda a resposta do fusor central, que responde com a freqüência associada. As mensagens sobre a alocação são atualizadas com as atribuições do canal, enquanto a unidade secundária estiver conectada. 22
SENDORA COMUNICAÇÃO NA REDE DESEMPENHO 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. As medidas de desempenho que afetam diretamente a rede primária são a probabilidade de interferência, o tempo de resposta e a probabilidade de perda de detecção. Na rede secundária, o desempenho é avaliado de acordo com a utilização de espectros, que depende do tempo de sensoriamento. 23
SENDORA IMPACTOS NA REDE Redes secundárias bem implementadas podem causar interferências nas transmissões primárias paralelas, por não detecção ou janelas no tempo de monitoramento. As transmissões da rede secundária mesmo não interferindo na primária podem ocupar o canal de transmissão e com isto afetar o desempenho dos protocolos de acesso. 24
SENDORA SENSORIAMENTO COLABORATIVO Em muitos casos, os algoritmos de sensoriamento do espectro requerem troca de informações entre os nós sensores vizinhos. A 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 25
SENDORA SENSORIAMENTO COLABORATIVO Cooperação entre os sensores 26
SENDORA ARQUITETURA CENTRALIZADA E DISTRIBUÍDA Na arquitetura centralizada o sensoriamento é caracterizado pela utilização de uma entidade que coordena e valida as associações de frequência. Se o sensoriamento do espectro é executado por uma unidade secundária, o nó principal desta rede age como um fusor central. Na arquitetura distribuída uma unidade secundária pergunta para um sensor vizinho, as freqüências livres, e as decisões sobre a situação do espectro. 27
SENDORA ARQUITETURA CENTRALIZADA E DISTRIBUÍDA Arquitetura centralizada e distribuída 28
SENDORA PILHA DE PROTOCOLOS NÍVEL DE APLICAÇÃO DO SENSOR: Desenvolve técnicas de sensoriamento e maximiza capacidade de detecção de buracos no espectro. NÍVEL DE REDE: Responsável pelo roteamento. Diferente do roteamento padrão, 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 NÍVEL DE ENLACE: Controle de acesso ao meio e confiabilidade entre os nós. NÍVEL FÍSICO: Gerenciamento de energia. 29
SENDORA PILHA DE PROTOCOLOS 30
SENDORA Ecossistema No ecossistema são avaliados os modos de ação e as relações entre os parceiros, custos de estruturas, receitas e fluxo de custos. Isto é utilizado para quantificar as diferentes opções de cenários e aspectos como: Utilização das redes de sensores na melhora dos planos de negócios. Propriedade sobre licenças. Operações sobre o espectro. Aspectos regulatórios. Propriedade sobre rede de sensores. 31
SENDORA Ecossistema 32
SENDORA CENÁRIOS Visando um mercado em potencial, o cenário deverá prover múltiplos serviços com o mesmo recurso de banda e com baixo custo.critérios a serem considerados: Mercado em potencial; Facilidade técnica; Facilidade econômica; Facilidade regulatória; Melhor solução; Coexistência com o ecossistema; Suporte por parte das autoridades reguladoras locais. 33
SENDORA CENÁRIOS Cenários Fixos Acesso em áreas rurais Aplicações em banda baixa: Leitores de medição automática (AMR). Cenários Nômades Acesso em área urbana ou suburbana e rural Redes locais sem fio Eventos simples Aplicações de banda reduzida: Identificação por frequência de rádio (RFID) 34
SENDORA CENÁRIOS Cenários Móveis Banda larga móvel em área urbana e suburbana Banda larga móvel em áreas rurais Aplicações de banda baixa: Localização automática de veículos (AVL) 35
SENDORA CENÁRIOS Critérios de avaliação 36
SENDORA CRONOGRAMA DO PROJETO SENDORA 37
SENDORA 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? 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. 38
SENDORA CONCLUSÃO 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. 39
SENDORA CONCLUSÃO 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 fortalecer 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. 40