Artículos presentados en congresos

El radio cognitivo en el desarrollo de la cuarta generación

de comunicaciones móviles

David Vázquez Alvarez, J. Vladimir Herrera Sánchez, Gabriela Sánchez Meléndez Departamento de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica

ESIME Zacatenco IPN, México, D. F., México

Teléfono: (55) 57296000 Ext. 54553 E-mail: [email protected]

Resumen: Debido al rápido desarrollo de las comunicaciones móviles en el mundo una nueva tecnología ha surgido desde principios de los 90’s conocida como Radio Definido por Software

(RDS) y ahora su evolución como Radio Cognitivo. Esto con el fin de darle una solución a la incompatibilidad entre los estándares de telefonía móvil y las técnicas de acceso al medio. En este artículo se presentan las ventajas, limitaciones, la arquitectura del radio definido por software y el concepto de radio cognitivo el cual será una referencia para desarrollar futuras aplicaciones que se podrían establecer para una Cuarta Generación de comunicaciones móviles.

Palabras clave: Comunicaciones Móviles, Radio Definido por Software, Radio Cognitivo.

I. Introducción

Las comunicaciones móviles han tenido una evolución importante en los últimos años provocando cambios sociales, comerciales y tecnológicos, lo que ha permitido tener el acceso a una amplia gama de medios de comunicación, contenidos y aplicaciones que a su vez han propiciado el desarrollo de nuevas formas y métodos para la transmisión de información de un lugar a otro.

Esto se debe principalmente a los constantes avances de la tecnología en las comunicaciones móviles (generaciones de telefonía celular y transmisión de datos), que ha tenido en los últimos 15 años una increíble evolución, desde que surgió la primera generación (1G), la cual comenzó a finales de los 70´s, caracterizado por usar sistemas analógicos y su uso estrictamente limitado para voz, en los 90´s comenzó a operar la segunda generación (2G) la cual se caracterizó por ser digital lo que permitió brindar servicios digitales enfocados a voz y datos[1,2].

Posteriormente en el 2001 surgió con gran éxito y aceptación la tecnología de tercera generación conocida popularmente como 3G; y que se caracteriza principalmente por la velocidad de la transmisión de datos con acceso inalámbrico a Internet de Banda Ancha para brindar servicios como videoconferencias, aplicaciones multimedia y televisión, mediante tecnologías como WCDMA, TD-SCDMA, GSM GPRS y CDMA2000.

Actualmente en el desarrollo de la cuarta generación (4G), China se propone como candidato pionero en esta generación donde lleva acabo en Shangai los primeros ensayos en el mundo con tecnología móvil de cuarta generación, completamente desarrollada por investigadores del país, la cual transmite datos hasta 50 veces más rápido que la 3G, donde se pretende comercializar en el 2010. Japón también está

experimentando con las tecnologías de cuarta generación, estando la empresa de telefonía NTTDoCoMo a la vanguardia, esta empresa ha presentado los primeros móviles de cuarta generación que están desarrollando aunque de momento solo se trata de prototipos [1,2,3].

II. Cuarta Generación de Comunicaciones Móviles (4G)

Una de las características principales que pretende tener la 4G, en base a lo ya establecido es acceso a Internet desde el teléfono móvil a una velocidad de 100 Mbps en movimiento y 1 Gbps en reposo, utilizando un ancho de banda aproximadamente de 20MHz, manteniendo una calidad de servicio (QoS) de punta a punta y de alta seguridad todo manejado bajo TCP/IP, lo que propiciará que la 4G funcione como una red con la tecnología de Internet combinada con otros usos y tecnologías como Wi-Fi y Wi-Max lo que permitirá a la 4G tener una gama de tecnologías y protocolos que permitirán el máximo rendimiento de procesamiento con la red inalámbrica más barata sustituyendo la comunicación o el acceso vía radio de tipo CDMA al uso del RDS (Radio Definido por Software) para su optimización, entre las características que podría ofrecer la 4G son:

Servicios de voz, audio y video en tiempo real. Cobertura extensa.

Gran QoS.

Fuerte estandarización.

Máxima velocidad de transmisión (100Mbps-1Gbps).

Dentro de los problemas que se enfrentan por la constante evolución de las comunicaciones móviles es que han surgido un sin número de estándares y técnicas de acceso (GSM, CDMA, TDMA, PDC, WCDMA, TD-SCDMA, GSM-GPRS Y CDMA200) en el caso de estándares y (FDMA, CDMA, WCDMA) en el caso de las técnicas de acceso al medio, que han facilitado el uso eficiente de la utilización del espectro pero que necesitan ser soportados por distintas industrias de terminales y de estaciones base.

Además de que se ha generado una gran demanda en la conectividad inalámbrica de Internet pero con sumas capacidades, por ejemplo la integración de servicios para ofrecer una perfecta cobertura global y un control sobre la calidad y el servicio (QoS), todo esto mediante protocolos o estándares (WAP, i-mode, Wi-Fi, Wi- Max, Bluetooth) que propiciarán el desarrollo de futuros dispositivos inalámbricos y utilizarlos en el soporte de las comunicaciones [3,4].

Para darle una solución a estos problemas, han surgido tecnologías que han empezado a desarrollarse y que están siendo aceptadas y apoyadas por la industria de la tecnología de las comunicaciones prueba de esto es la aplicación de radio cognitivo en sistemas de comunicaciones móviles el cual está ayudando a su vez a la evolución del radio definido por software ya que anteriormente la mayoría de estas transmisiones se basaba principalmente en hardware y con muy pocas aplicaciones de software; y que conjuntamente estas dos tecnologías podrían evitar el actual caos en las técnicas de

acceso y la falta de flexibilidad de las bandas radioeléctricas no autorizadas, lo que permitirá que existan arquitecturas flexibles y adaptables a sistemas móviles avanzados. De este modo el radio definido por software y su evolución a un radio cognitivo se vuelve una parte primordial para alcanzar una cuarta generación de comunicaciones móviles.

III. Radio Definido por Software (RDS)

El radio definido por software (RDS) tiene como propósito integrar una cobertura global libre de irregularidades a través de cualquier región geográfica, establecer interfaces con diferentes sistemas y estándares que proveen servicios

completos. Es decir tener un “Teléfono Móvil Multimodo”, que tenga la capacidad de cambiar entre los diferentes estándares celulares y tenga la habilidad de interconectarse con otros servicios de red, para que nos podamos comunicar exitosamente con diferentes sistemas, el RDS tiene que comunicarse y manejar cambios dentro del sistema de redes emitidos en los protocolos usando arquitecturas del radio software en el cual el radio se reconfigure a sí mismo basándose en el sistema en el que esté interactuando y las funciones que soporte, donde probablemente se tenga la capacidad de controlar la calidad del servicio[5].

Anteriormente los equipos receptores y transceptores de radiocomunicaciones estaban constituidos por múltiples componentes electrónicos, los cuales a su vez formaban parte de circuitos sintonizadores, etapas de frecuencia intermedia, amplificadores de bajas frecuencia es decir estaban constituidos por hardware, pero se pensó en introducir la posibilidad de controlar los equipos de radio desde un ordenador, añadiéndole a estos puertos de comunicación o interfaces para la conexión a la computadora, el RDS se caracteriza por que la parte del hardware (circuitería) es mínima, y la mayor parte de las funciones del equipo se definen por software en una computadora.

Fig. 1. Arquitectura básica de un radio definido por software.

(7) Unidad de procesa miento I/O (IOU) (1) Unidad de enlace I N F R A E S T R U C T U R A C O M U N (2) Unidad de radio frecuen cia (RFU) (3) Unidad de frecuen cia Interme dia (IFU) (4) Unidad A/D y D/A (ADC/ DCA) (6) Unidad de control de trans misión (TCU) (8) Unidad de procesa miento de tempori zacin de extremo a extremo (5) Unidad de banda base (BBU)

SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE

T R AN S M IS OR R E C E P T OR

El RDS es una clase de radio reprogramable o reconfigurable y su funcionalidad depende significativamente de las modificaciones o actualizaciones de su software lo que permite que se adapte a las necesidades de cada usuario, la flexibilidad en su arquitectura le permite a países proveedores de servicios mejorar la infraestructura y comercializar servicios nuevos rápidamente, un RDS debe tener un control de sí mismo, de soportar un rango amplio de frecuencias, interactuar con el aire, el radio definido por software debe tener la capacidad por medio de su software de hacer correcciones en su modulación, en la corrección de errores, en los procesos de código, establecer un control en el acceso a su radiofrecuencia, para todo lo antes mencionado el RDS usa dispositivos digitales programables para mejorar el procesamiento de la señal necesarios para transmitir y recibir información en banda base a radiofrecuencias, utilizando herramientas como procesadores digitales de señales (DSP´s), y arreglos de compuertas de campo programables (FPGA´s) todos basados en software para proveer de funcionalidad el procesamiento de la señal requerido, el RDS definirá el esquema de modulación a emplear (AM, FM, SSB). Una arquitectura básica de un RDS se muestra en la Figura 1.1 [5,7,8,10] Las principales ventajas que se establecen con un RDS son las siguientes:

Beneficios para los consumidores:

Plataforma común para múltiples usos.

Acceso a una amplia gama de aplicaciones y contenidos multimedia.

Capacidad para traspasar los limites del operador y lograr una verdadera movilidad.

Ofrece la posibilidad de agregar un conjunto de características y servicios con un fácil mecanismo de actualización para una variedad de dispositivos móviles.

Aumenta la vida útil de un equipo y provee una ganancia segura contra la obsolescencia.

Beneficios para los operadores:

Capacidad para desplegar nuevos servicios adaptados a los diferentes niveles de usuarios que utilicen una plataforma de hardware común.

Prueba de mercado más rápida y sencilla de nuevos servicios y diferenciación de otros operadores.

Reduce los costos a través de un largo ciclo de vida de móviles, la reducción de componentes, y software con actualizaciones más rápidas de la estación base.

Capacidad de ofrecer a todos los usuarios el mismo conjunto de funciones y servicios independientemente del estándar utilizado.

Ayuda a lograr "acceso abierto" al proporcionar un conjunto de APIs claramente definidos.

Beneficios a los fabricantes:

El fabricar una plataforma común se cubren muchos mercados, interfaces de aire digital y bandas de frecuencias. Ofrece capacidad para expandir un nuevo y adyacente mercado con soluciones de red común.

Un real uso de técnicas avanzadas para la utilización del espectro radioeléctrico usando antenas inteligentes y procesamiento de señales.

Capacidad de mejorar los servicios, funciones y mecanismos de seguridad. Bajo costo del producto debido a la reducción de los componentes.

Mayor rendimiento y menor consumo de energía para las funciones avanzadas tales como video / gráficos en tiempo real y aplicaciones

Facilita el apoyo de todas las nuevas tecnologías emergentes (WAP, MexE, Bluetooth). [8,9]

IV. Radio Cognitivo

En lo que respecta al radio cognitivo es concebido como un punto al cual debe de evolucionar el radio definido por software, el radio cognitivo es un radio inteligente

que es capaz de escoger los mejores caminos para enrutar datos, es capaz de escoger la mejor radiofrecuencia a utilizar, de entender la actividad de la red, la actividad del usuario, seleccionar y usar las formas de onda, frecuencia, y protocolos correctos para apoyar de manera eficiente al usuario y la red, todas estas características se logran basándose en la observación de varios factores internos y externos de la radio, tales como el espectro de la radio frecuencia, el comportamiento del usuario y el estado de la red, con el fin de comunicarnos eficazmente y eficientemente, el radio cognitivo nos asegurará que el usuario podrá establecerse en un roaming mundial donde podremos comunicar y transmitir información a pesar de los cambios en la cobertura, conectividad y la carga en el sistema de comunicaciones.[11,13]

Este sistema es un concepto que se esta volviendo muy importante entre los dispositivos móviles y los sistemas de comunicaciones inalámbricos por dos razones fundamentales:

Realza la eficiencia del espectro de radiofrecuencias, mejora su acceso, haciendo asignaciones dinámicas del canal, lo que le permite reconocer los diferentes tipos de tráfico de información, estableciendo prioridades dinámicas, e integrar rasgos de seguridad lo que se evitaría en gran medida la interferencia entre redes.

Permite establecer radios inteligentes con sistemas que se configuran solos, que se auto adapten al entorno, que establezcan cambios en sus funciones dependiendo de las necesidades del usuario y el estado de la red.[11,13] El radio cognitivo podría propiciar que se tenga que aumentar el ancho de banda, ya que conforme se establecen las evoluciones de dispositivos móviles e inalámbricos, estos tienen que compartir una cantidad finita del espectro de radio frecuencias, el radio cognitivo puede establecer una mejor manera de utilizar el espectro, de descubrir frecuencias que sean raramente usadas y se la asigne a servicios específicos sobre las cuales se puedan llegar a transmitir y recibir información, propiciando el progreso hacia la flexibilidad de bandas radioeléctricas no reglamentadas.[12]

Una red inteligente (cognitiva), es una red basada en establecer enlaces entre sus nodos que son radios cognitivos que proveen de conectividad y la ajusten para su adaptación a los cambios topológicos manejado por condiciones y necesidades de los

usuarios, esta red tiene conciencia de su ambiente, donde podrá tomar dediciones más allá del espectro inalámbrico y esos nodos pueden optimizarla, esta red considerará estas capacidades en una información colectiva, lo que permitirá la coordinación y la colaboración entre nodos.

Las capacidades del radio cognitivo permitirá que todos los sistemas inalámbricos puedan localizar cualquier banda libre del espectro radioeléctrico a su alcance y conectarse a ella, este radio cognitivo debe configurar sus funciones de comunicación constantemente para satisfacer las demandas de las redes de transmisión y recepción de los usuarios, mediante dispositivos detectores de alta calidad y algoritmos para intercambiar los datos de detección del espectro entre nodos.

El radio cognitivo evitara las congestiones en la transmisión, propiciara el mejoramiento del roaming mundial, estructurará códigos configurables para recibir y transmitir nuevos protocolos de comunicación y la interferencia entre sistemas que ira evolucionando para propiciar mejoras continuas entre el radio cognitivo y el radio definido por software.[11,12,13]

IV. Conclusiones

Como se ha visto, tanto la manufactura de sistemas inalámbricos, sistemas móviles y los proveedores de servicios inalámbricos deben responder a los cambios como sucedan, mejorando los sistemas para que incorporen las últimas innovaciones o centrarse en los defectos de los sistemas como se descubran, el RDS y Radio Cognitivo va a fomentar el desarrollo y despliegue de una evolución de las comunicaciones inalámbricas basadas en tecnologías de radio reconfigurable, lo que permitirá tener arquitecturas flexibles y adaptables a los sistemas inalámbricos avanzados, pero también sin olvidar que el usuario debe tener la habilidad de de seleccionar los proveedores y servicio que necesite.

V. Referencias

[1] Ramírez Alejandro, “Historia e inventos”,

www.detodounpocotv.com/aburrimiento/telefoniacelular.htm

[2] Martínez José Manuel, “La Portabilidad acelera la telefonía”, Febrero 15, 2008, www.evdoplus.blogspot.com/2008/02/la-portabilidad-acelerar-la-telefona.html [3] Klew Willy, “4G, La cuarta generación de sistemas de comunicaciones”,

Noviembre 16, 2007,

www.neoteo.com/tabid/54/ID/4706/Title/4G__la_Cuarta_Generacion_de_Sistemas _de_Comunicacion/Default.aspx

[4] “China hace las primeras pruebas mundiales de telefonía móvil 4G”, Enero 2007,

www.mundo-

contact.com/enlinea_detalle.php?recordID=2877&PHPSESSID=eb0baf98251c96c 8732b7

[5] H. Reed Jeffrey, Software Radio, “A modern approach to radio engineering”, Prentice Hall PTR 2002

[7] Fernández de Villegas F., “Equipos de Radio Definidos por Software”, Junio 2004,

www.ea1uro.com/sdr.html

[8] “Open-Source Reference Implementation Now Available For New Software Defined Radio Technology”, Mayo 2002, www.sdrforum.org

[9] Ralston John D. y Chairman Vice, “SDR Forum Liaison Proposal to MExE”, Febrero 2000, www.sdrforum.org

[10] Proaño Enrique, “Transmisores de Radio Basados en Software”, Diciembre 2005,

www.clusterfie.epn.edu.ec/ibernal/html/CURSOS/Oct05Marzo06/Inalambricas/Tra bajo1/TRaduccion/NewT5.doc

[11] “Uses cases for cognitive aplications in public safety communications systems”, Noviembre 2007, www.sdrforum.org/pages/documentLibrary/documents/SDRF- 07-P-0019-V1_0_0.pdf

[12] Zheng Heather, “Tecnologías que cambiaron al mundo”, Technology Review, 2006 www.tempresas.cl/revista/edicion_07/pdf/054-065_Diez_tecnologias.pdf

[13] Urán Ramón, “Militares investigan redes inteligentes, seguras e inalámbricas”, 2006, www.spacio2.com/s2/index2.php?option=com_content&do_pdf=1&id=51

Aguascalientes, Ags., México, 03 al 07 de Noviembre, 2008

Resumen ––Debido a los constantes avances tecnológicos en el área de las comunicaciones móviles e inalámbricas, los servicios que se desean implementar para una cuarta generación, los problemas que están enfrentando en cuestión de la incompatibilidad de estándares de telefonía móvil y técnicas de acceso al medio y al futuro establecimiento de una mejor manera de utilizar el espectro de radiofrecuencias, se está desarrollando una tecnología que ayudara a solucionar estos problemas tal es el caso del Radio Definido por Software pero ahora hacia su evolución como Radio Cognitivo. En este artículo se presenta el concepto del radio cognitivo, sus ventajas, limitaciones, su arquitectura, y como se convertirá en base fundamental para el desarrollo de nuevas aplicaciones y servicios de cuarta generación.

Palabras Clave – Motor cognitivo, radio cognitivo

Abstract ––Due to the constant technologies advances in the area of the mobile communication and wireless communication, the serves that it will wish implement for a fourth generation, the problems that it is confront in the matter of the standards incompatibility of mobile phone and the technologies of the access environment and the future establishment of the best way to use the radio-frequency spectrum, it is developing a technology that helps to resolve its problems and that is the case of a Software Defined Radio but now toward its evolution as a Cognitive Radio. This paper shows the concept of Cognitive Radio, its advantages, limitations, architecture, and how it will become in fundamental base for the development of new applications and services for fourth generation.

Keywords –– Cognitive engine, cognitive radio

I. INTRODUCCIÓN

La tecnología del radio cognitivo introduce un revolucionario mecanismo de comunicación inalámbrica desde las terminales móviles hasta los segmentos de red, a fin de que puedan aprender de su ambiente y adaptarse a la forma más apropiada inteligentemente, es decir el radio cognitivo será autónomo y capaz de ajustar sus configuraciones para cambios en el ambiente con tal de optimizar la calidad del servicio y cubrir las necesidades exactas del usuario. El radio cognitivo (RC) es concebido como un punto al cual debe de evolucionar el radio definido por software, el radio cognitivo es un radio inteligente que es capaz de escoger los mejores caminos para enrutar datos, es capaz de escoger la mejor radiofrecuencia a utilizar, de entender la actividad de la red, la actividad del usuario, seleccionar y usar las formas de onda, frecuencia, y protocolos correctos para apoyar de manera eficiente al usuario y a la red, todas estas características se logran basándose en la observación de varios factores internos y externos del radio, tales como el espectro de radiofrecuencia, el comportamiento del usuario y el estado de la red, con el fin de comunicarnos eficaz y eficientemente, el radio cognitivo nos asegurará que el usuario podrá establecerse en un roaming mundial donde podremos comunicar y transmitir información a pesar de los cambios en la cobertura, conectividad y la carga en el sistema de comunicaciones [1], [3].

II. ELRADIOCOGNITIVO

Definimos un radio cognitivo como un dispositivo inteligente de comunicación que se da cuenta de su ambiente, de las necesidades aplicativas y que se puede reconfigurar para optimizar la calidad de servicio. Después de esta definición, se provee un nodo de radio cognitivo con una capa inteligente de conciencia, razonando y aprendiendo lo necesario para optimizar su función bajo situaciones dinámicas e imprevisibles. Esa capa inteligente está realizada por un sistema de software llamado Motor