Redes de Radio Cognitiva

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA. Redes de Radio Cognitiva Autor: Hector René Bermúdez Gil Tutor: MSc. Samuel Montejo Sánchez. Santa Clara 2011 “Año del 53 aniversario del triunfo de la Revolución”.

(2) Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA. Redes de Radio Cognitiva Autor: Hector René Bermúdez Gil E-mail: hbgil@uclv.edu.cu. Tutor: MSc. Samuel Montejo Sánchez Prof. Dpto. de Telecomunicaciones y Electrónica Facultad de Ingeniería Eléctrica. UCLV. E-mail: montejo@uclv.edu.cu. Santa Clara 2011 “Año del 53 aniversario del triunfo de la Revolución”.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. Ningún hombre, no importa a que se dedique, puede alcanzar un triunfo verdadero, si no hace sacrificios para lograrlo! Nada que valga la pena puede obtenerse de balde. Lo que logramos sin esfuerzo nunca nos satisface. Para conquistar los triunfos que nos dejan realmente satisfechos, es necesario llegar a ellos por medio de TRABAJO, ESFUERZO, ESTUDIO Y SACRIFICIO. Daniel Cuggehel..

(5) ii. DEDICATORIA. Este trabajo de diploma se lo dedico, de todo corazón, a mis padres, pues en él ven coronado uno de sus mayores sueños..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres por todo el apoyo y confianza que me han brindado. A mi hermano por dejarme marcadas las huellas del camino correcto para hacer realidad este sueño tan esperado. A esa persona con la que he compartido los momentos más lindos de mi vida y ha permanecido a mi lado para apoyarme en todas las vicisitudes que he tenido que afrontar, a ti por ser tan especial para mí, gracias, muchas gracias, mi adorable novia, Juanita. A Yare, Irma, Melisa y a todo el resto de mi familia que de una forma u otra han contribuido a la realización de este trabajo de diploma. Al grupo de profesores que han favorecido mi formación como futuro profesional. A mi tutor por significar un ejemplo de estudio, constancia y sacrificio. Un agradecimiento especial al ingeniero Jan García Morales por su dedicación y apoyo incondicional en los momentos más difíciles de esta investigación. A todos mis amigos gracias, muchísimas gracias….

(7) iv. TAREA TÉCNICA En orden de cumplir con los objetivos trazados en esta tesis, se tuvo en cuenta las siguientes tareas técnicas para la confección del informe: 1. Realizar un estudio acerca de las principales características y funciones de las redes de radio cognitiva. 2. Caracterizar los modelos de diseño de las redes de radio cognitiva: underlay, overlay e interweave. 3. Analizar los parámetros a tener en cuenta para la evaluación del desempeño de estos paradigmas. 4. Establecer pruebas que validen el desempeño de los modelos según las condiciones del entorno de radio.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. Aumentar la eficiencia del espectro radioeléctrico es el objetivo esencial de las redes de radio cognitiva para satisfacer la saturación de las bandas de frecuencias no licenciadas y el uso ineficiente de las licenciadas. Este trabajo abre el camino a una posterior aplicación práctica de la tecnología de radio cognitiva. Con este fin se exhibe una revisión de su estado del arte y evidencia mediante su evolución las perspectivas de implementación de dichas redes. Se define tres modelos de diseño para este tipo de redes inalámbricas: underlay, overlay e interweave, con énfasis en las semejanzas, diferencias y parámetros que caracterizan su comportamiento. Quedan representadas pruebas experimentales para facilitar la determinación del paradigma a implementar en el diseño de una red eficiente, que demuestran la efectividad, según determinadas condiciones de la red, de la aplicación de los modelos underlay y overlay. En igualdad de condiciones para evaluar la eficacia de tales modelos, los resultados obtenidos manifiestan que se debe establecer un compromiso entre la maximización del rendimiento de la red cognitiva y la disminución de la interferencia a la red que se encuentra bajo licencia, siendo esta última la de mayor prioridad..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO................................................................................................................. i DEDICATORIA ................................................................................................................ ii AGRADECIMIENTOS .....................................................................................................iii TAREA TÉCNICA ........................................................................................................... iv RESUMEN ........................................................................................................................ v INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1. 1.1. REDES DE RADIO COGNITIVA: ESTADO DEL ARTE .................... 4. Generalidades ....................................................................................................... 4. 1.1.1. Definición ..................................................................................................... 4. 1.1.2. Historia y antecedentes que conducen a la radio cognitiva ............................. 4. 1.1.3. Publicaciones relevantes ................................................................................ 6. 1.2. Características principales .................................................................................... 8. 1.2.1. Capacidad cognitiva ...................................................................................... 8. 1.2.2. Capacidad de reconfiguración ..................................................................... 10. 1.3. Arquitectura física .............................................................................................. 11. 1.4. Arquitectura de la red ......................................................................................... 13. 1.4.1. Red primaria ............................................................................................... 14. 1.4.2. Red de radio cognitiva ................................................................................. 15. 1.5. Operaciones de las redes de radio cognitiva ........................................................ 15. 1.5.1. Redes de radio cognitiva en bandas licenciadas ........................................... 16.

(10) vii 1.5.2. Redes de radio cognitiva en bandas no licenciadas ...................................... 16. 1.6. Aplicaciones....................................................................................................... 17. 1.7. Estándares .......................................................................................................... 18. 1.7.1. Estandar IEEE 802.22 ................................................................................. 19. 1.7.2. Estandar IEEE P1900/ SCC41 ..................................................................... 21. 1.7.3. Otros estándares .......................................................................................... 21. 1.8. Conclusiones parciales del capítulo .................................................................... 22. CAPÍTULO 2.. PARADIGMAS EMPLEADOS EN LA RADIO COGNITIVA ........... 23. 2.1. Detección del espectro ........................................................................................ 23. 2.2. Técnicas utilizadas para compartir el espectro .................................................... 24. 2.3. Paradigmas de diseño de redes de radio cognitiva: características fundamentales 26. 2.3.1. Paradigma underlay .................................................................................... 26. 2.3.2. Paradigma overlay ....................................................................................... 27. 2.3.3. Paradigma interweave ................................................................................. 28. 2.4. Comparación entre los tres paradigmas‫ ׃‬underlay, overlay e interweave ............. 29. 2.5. Cuestiones generales sobre los paradigmas ......................................................... 30. 2.5.1. Radio cognitiva underlay ............................................................................ 30. 2.5.2. Radio cognitiva overlay ............................................................................... 31. 2.5.2.1 Técnicas de cooperación .......................................................................... 32 2.5.3. Radio cognitiva interweave ......................................................................... 35. 2.5.3.1 2.6. Conclusiones parciales del capítulo .................................................................... 37. CAPÍTULO 3. 3.1. Modelado del enlace de radio cognitivo interweave ................................. 36. EVALUACIÓN DE LOS MODELOS DE DISEÑO ............................ 39. Selección de los modelos de diseño .................................................................... 39.

(11) viii 3.2. Parámetros a tener en cuenta en el desempeño de los paradigmas ....................... 40. 3.2.1. Relación señal a ruido más interferencia ...................................................... 40. 3.2.2. Temperatura de interferencia ....................................................................... 42. 3.2.3. Probabilidad de corte (outage probability)................................................... 44. 3.3. Descripción del escenario a simular .................................................................... 44. 3.4. Condiciones para evaluar el desempeño de los paradigmas ................................. 47. 3.4.1. Condiciones iniciales................................................................................... 47. 3.4.2. Variación de la distancia para evaluar el desempeño de los paradigmas ....... 52. 3.5. Conclusiones parciales del capítulo .................................................................... 57. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................ 59 Conclusiones ................................................................................................................ 59 Recomendaciones ......................................................................................................... 60 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 61.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. El crecimiento de la tecnología de radio en los últimos años ha sido constante y presenta retos significativos para el uso adecuado del espectro radioeléctrico cuyo estado actual se caracteriza por la congestión, debido a que las bandas de frecuencia ya han sido asignadas bajo licencia a servicios de radio, televisión, satélite, telefonía celular y control de tráfico aéreo [1]. Sólo existe un pequeño ancho de banda disponible para insertar nuevos usuarios y servicios emergentes. La política de asignación fija de las bandas de frecuencias contribuye aún más a la saturación de las bandas no licenciadas y al uso ineficiente de las licenciadas. Las redes de radio cognitiva surgen como una nueva posibilidad que busca solucionar la congestión del espectro. Los desarrollos en tecnologías de radio por software, en los años noventa y en la primera década del 2000, han permitido que la tecnología de las redes de radio cognitiva empiece a tomar fuerza en diversos ámbitos de los sistemas de radio. Este tipo de redes constituye una técnica inteligente de comunicación inalámbrica la cual aprovecha información secundaria acerca de su entorno para ingresar nuevos usuarios (cognitivos) a determinadas bandas de frecuencia, sin dañar a los establecidos con anterioridad (no cognitivos), de lo que resulta la creación y utilización, de manera más eficiente, de un nuevo espectro. La información secundaria es imprescindible para el funcionamiento de cada uno de los principales modelos de diseño con los que operan las redes de radio cognitiva: underlay, overlay e interweave. Pues cada uno utiliza un tipo de información específica acerca de los no cognitivos..

(13) INTRODUCCIÓN. 2. A pesar de existir varios programas de investigación enfocados en las redes de radio cognitiva, la misma se encuentra en un estadío fundamental de su desarrollo. De ahí que la presente investigación contribuya al análisis de las redes inalámbricas de radio cognitiva, lo que hace que se obtenga una fuente documental, en la cual se podrá acceder a los postulados teóricos más recientes referentes a la definición, funcionamiento y aplicabilidad de la tecnología de radio cognitiva. Este trabajo, además, apoya un diseño de redes inalámbricas basado en la implementación del paradigma más ajustado a las condiciones específicas de cada red. Todo ello permitirá responder a la demanda creciente de nuevos usuarios y servicios que necesitan participar de los beneficios de la tecnología de redes inalámbricas. Se genera una situación problémica inicial: ¿Cómo evaluar efectividad y la eficiencia de diferentes modelos de las redes de radio cognitiva en dependencia de las condiciones de su entorno? Y a partir de esta situación problémica surgen interrogantes científicas acerca del tema: ¿Cómo se definen las redes de radio cognitiva? ¿Qué paradigmas las caracterizan? ¿Qué parámetros se deben tener en cuenta para evaluar el desempeño de estos paradigmas? ¿Qué ventajas presenta cada uno de estos modelos de diseño con respecto a los demás? Encaminada a la solución de la situación problémica la investigación se traza como objetivo general: Evaluar la efectividad y la eficiencia de diferentes modelos de las redes de radio cognitiva. Para ello se proponen los siguientes objetivos específicos: 1. Revisar el estado del arte de las redes de radio cognitiva. 2. Definir diferencias, invariantes y parámetros de los paradigmas de radio cognitiva underlay, overlay e interweave para caracterizar su desempeño. 3. Establecer pruebas que permitan la evaluación de los diferentes paradigmas. En vista a satisfacer los objetivos planteados se ha decidido dividir el trabajo en introducción, capitulario, conclusiones y recomendaciones. El capítulo 1 muestra un análisis del estado del arte de las redes de radio cognitiva conjuntamente con la descripción de las características esenciales de las mismas, en la cual se destacan los tipos de.

(14) INTRODUCCIÓN. 3. arquitectura posibles, estándares y aplicaciones. En el capítulo 2 se hace referencia a los diferentes modelos existentes para el diseño de las redes de radio cognitiva y se establece una comparación entre estos para una posterior validación basada en sus resultados. El capítulo 3 se enfoca fundamentalmente en la determinación del paradigma a implementar según las condiciones del entorno de la red licenciada. Para ello se imponen determinadas situaciones con el objetivo validar el comportamiento de los modelos de diseño de las redes de radio cognitiva. En las conclusiones se realizará una síntesis final de los resultados alcanzados en la investigación y en las recomendaciones, hacer una valoración de los aportes de este trabajo y de su posible continuidad a través de futuras investigaciones sobre el tema de redes de radio cognitiva. Las recomendaciones se harán sobre la base del perfeccionamiento de las simulaciones realizas y el enriquecimiento de algunas de las temáticas abordadas para posteriores investigaciones sobre el tema.. Se incluirán las referencias bibliográficas conformando un listado de toda la bibliografía consultada siguiendo las normas establecidas por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos..

(15) CAPÍTULO 1.. 4. CAPÍTULO 1. REDES DE RADIO COGNITIVA: ESTADO DEL ARTE. El presente capítulo expone una panorámica del estado del arte de las redes de radio cognitiva. Muestra, además, las características esenciales de las mismas, enfatizando tanto en sus funciones principales como en los tipos de arquitectura posibles, estándares y aplicaciones correspondientes. 1.1. Generalidades. 1.1.1 Definición La tecnología de radio cognitiva es la tecnología clave que permite a una red de próxima generación usar el espectro de una manera dinámica. Según [2] el término de radio cognitiva se define como: Una red de radio cognitiva es un sistema de comunicación inalámbrica que sensa su ambiente electromagnético operacional y ajusta sus parámetros internos de operación en tiempo real (potencia de transmisión, frecuencia portadora) con el objetivo de aumentar la eficiencia del espectro. 1.1.2 Historia y antecedentes que conducen a la radio cognitiva Las primeras radios fueron diseñadas para desarrollar un solo tipo de comunicación analógica (la voz). Este tipo de comunicación no era eficiente a la hora de transmitir información, por lo que la tecnología de radio comenzó a enfocarse en la creación de sistemas que facilitaran la transmisión de datos. Quedaban definidos entonces dos sistemas de radio, uno para la comunicación de voz y el otro para la trasmisión de datos. Sin.

(16) CAPÍTULO 1.. 5. embargo, cuando el aumento de la capacidad y la reducción de los costos del ciclo de vida se hacían indispensables, se introdujo el software en el diseño de los sistemas de radio. De esta forma se reemplazaban las radios de una sola aplicación por sistemas de radio capaces de soportar tanto voz como transmisión de datos con altas razones [3]. En 1996 se funda el Fórum de la Radio Definida por Software, con el objetivo de desarrollar estándares que facilitaran la implementación en varias plataformas de hardware y la integración de los componentes de software de este tipo de radio a través de múltiples vendedores [3]. Ya en 1999 se daban los primeros pasos desde el punto de vista conceptual, en un artículo publicado por Joseph Mitola se acuñaba el término de “radio cognitiva” [4]. Mitola describió como la radio cognitiva podía aumentar la flexibilidad de servicios inalámbricos personales a través de un nuevo lenguaje denominado lenguaje de representación del conocimiento de radio (radio knowledge representation language (RKRL)) [2]. A su vez, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC), en el año 2000, adoptó la siguiente definición para una radio por software: “dispositivo de comunicación en el cual se desarrollan atributos y capacidades, que puede ser o no implementado en software” [3]. En el 2002 la FCC publicó un informe, el cual estuvo dirigido a los cambios en la tecnología y al profundo impacto que estos cambios pudieran tener en la política del espectro. Este informe coloca el escenario para un taller en radio cognitiva, el cual fue sostenido en Washington en mayo del 2003, y se le dio seguimiento al mismo en Las Vegas en marzo del 2004 [2]. Independientemente de que en el año 1999, Mitola acuñara el término de radio cognitiva, todavía se requería un control más sofisticado del software de los sistemas y que sus aplicaciones alcanzaran otros niveles cognitivos. Como aumento de la sofisticación de software, las capacidades del sistema de radio podían evolucionar para acomodar una variedad mucho más amplia de la conciencia, la adaptabilidad, y hasta la capacidad de aprender. Así, el siguiente paso a lo largo de este camino se le otorgaba a las radios conscientes y adaptables, que dieron paso a los sistemas de radio cognitivos. Posteriormente se fue desarrollando la programación en el diseño de los sistemas de radio, y esto trajo como consecuencia el surgimiento de la radio definida por software (SDR) [3]..

(17) CAPÍTULO 1.. 6. El Fórum de la Radio Definida por Software tiene un Grupo de Funcionamiento de Radio Cognitiva que avanza continuamente en las investigaciones acerca de la eficiencia del espectro, así como en aplicaciones de la radio cognitiva. Según este Grupo de Funcionamiento de Radio, dichas aplicaciones pueden ser añadidas a la radio definida por software. Esto significa que se empezaba a asumir a la radio definida por software (SDR) como la plataforma básica para implementar la aplicación cognitiva más novedosa de los sistemas de radio [3]. 1.1.3 Publicaciones relevantes Hasta la actualidad autores reconocidos en el estudio de las redes de radio cognitiva han propiciado la divulgación de artículos y libros para marcar la evolución del conocimiento acerca de esta avanzada tecnología. A partir de tales publicaciones, en esta investigación se realiza una selección de las de mayor profundidad teórica en relación con la presente investigación. Algunas de las publicaciones más relevantes se exhiben a continuación:  Cognitive radio: Making software radios more personal (agosto de 1999): del autor Joseph Mitola, en cual define el término de “radio cognitiva”.  Cognitive Radio: Brain-Empowered Wireless Communications (mayo del 2005): artículo publicado por Simon Haykin en el que realiza un análisis del espectro radioeléctrico, además de abordar el funcionamiento de la radio cognitiva.  Cognitive Radio Technology (2006): es uno de los libros más completos en el estudio de la tecnología de radio cognitiva, editado por el científico Bruce A. Fette, jefe de la División Científica de Redes de Comunicaciones en los Estados Unidos de América. Este libro recoge los aspectos fundamentales que caracterizan a la radio cognitiva como son: definición, aplicaciones, políticas de asignación fija de las bandas de frecuencias, técnicas para compartir el espectro. Conjuntamente describe los detalles de la arquitectura de hardware y de software de la radio definida por software, y explica por qué esta es la base sobre la cual está sustentada la radio cognitiva.  NeXt generation/dynamic spectrum access/cognitive radio wireless networks (mayo del 2006): artículo publicado por Ian F. Akyildiz, Won-Yeol Lee, Mehmet C. Vuran y.

(18) CAPÍTULO 1.. 7. Shantidev Mohanty. En él se comienza a denominar a las redes de radio cognitiva como redes de acceso dinámico al espectro, más conocidas como las redes de próxima generación. En este artículo, a diferencia de las publicaciones anteriores, se examina las funcionalidades requeridas por una red de radio cognitiva para adaptar los protocolos de comunicación de la red al espectro disponible, y se describe la arquitectura física así como las capacidades de configurabilidad de una radio cognitiva.  Non-Intrusive Cognitive Radio Networks based on Smart Antenna Technology (2007): los autores del artículo son Senhua Huang, Zhi Ding y Xin Liu. En este trabajo se presenta un sistema de radio cognitiva basado en tecnologías de antenas inteligentes con el objetivo de suprimir el nivel de interferencia que puedan ocasionar los usuarios cognitivos a los usuarios previamente establecidos (usuarios primarios).  Cognitive Wireless Mesh Networks with Dynamic Spectrum Access (2008): de los autores Ian F. Akyildiz y Kaushik R. Chowdhury. Propone una solución de la arquitectura de una red de malla inalámbrica que integra funcionalidades de radio cognitiva y expone un nuevo método de detección del espectro, el cual permite identificar frecuencias de usuario primarias sin transceptores adicionales.  Breaking Spectrum Gridlock with Cognitive Radios: An Information Theoretic Perspective (2009): difundido por los autores Andrea Goldsmith, Syed Ali Jafar, Ivana Marić y Sudhir Srinivasa. En contraste con los demás artículos que tratan los paradigmas de diseño de diferentes redes inalámbricas como underlay y overlay, este introduce el paradigma de interweave como otro de los modelos de diseño de las redes de radio cognitiva.  Advances in Cognitive Radio Networks (febrero del 2011): publicado por Beibei Wang y K. J. Ray Liu. En este artículo queda reflejado un resumen de las principales técnicas de sensado del espectro e introduce otras nuevas entre las cuales están: el sensado rápido y el sensado basado en el filtrado. Por otra parte, dichos autores tratan las plataformas y estándares de la radio cognitiva..

(19) CAPÍTULO 1.. 8. 1.2 Características principales A partir de la definición de la radio cognitiva, las características esenciales de las redes de. radio cognitiva son la capacidad cognitiva y la capacidad de auto reconfigurarse para poder adaptarse fácilmente al ambiente de radio dinámico. 1.2.1 Capacidad cognitiva La capacidad cognitiva es la habilidad de, sin interferir en la comunicación de los otros usuarios, permitir a los dispositivos de radio cognitivos ser conscientes de la forma de onda transmitida, el espectro de radiofrecuencias, el tipo de protocolo de la red de comunicación, la información geográfica, los recursos y servicios disponibles localmente, las necesidades de usuario y la política de seguridad. Después de que los dispositivos de radio cognitivos agrupen su información necesaria acerca de su entorno, ellos pueden cambiar dinámicamente sus parámetros de transmisión según las variaciones sensadas del ambiente. y. conseguir. la. interpretación. óptima,. que. es. denominada. como. reconfigurabilidad [5]. A modo general, se puede señalar que, a través de la capacidad cognitiva, las porciones del espectro que no se utilizan en un tiempo dado son identificadas y de esta forma queda habilitada la interacción en tiempo real con su ambiente para determinar parámetros de comunicación apropiados y adaptarse al ambiente dinámico de radio, y se selecciona consecuentemente el mejor espectro disponible [6]. Las tareas requeridas para la operación adaptable en el espectro conforman el ciclo cognitivo. En la figura1.1 se realiza una representación esquemática de tales tareas. Como se puede observar los tres pasos fundamentales del ciclo cognitivo, llevados a cabo en el receptor cognitivo, son: el sensado del espectro, el análisis del espectro, y la selección del espectro [7]: Sensado del espectro: una radio cognitiva monitorea las bandas disponibles del espectro, captura su información, y luego descubre los agujeros del espectro. Análisis del espectro: se estiman las características de los agujeros del espectro que son descubiertos mediante el sensado del mismo..

(20) CAPÍTULO 1.. 9. Selección del espectro: una radio cognitiva determina la velocidad de transferencia de datos, el modo y el ancho de banda de la transmisión. Entonces, la banda del espectro apropiada es elegida según las características de esta y los requerimientos de usuario.. Figura 1.1. Ciclo cognitivo. Conjuntamente con la estimación de las características de los agujeros del espectro que fueron detectados, se realiza una estimación de la temperatura de interferencia, dado que esta es una métrica representativa a tener cuenta para hacer cumplir un límite de interferencia percibido por los receptores [8]. Cuando la banda del espectro de operaciones es determinada, la comunicación puede ser realizada sobre esta banda con la gestión de la misma y el control de la potencia emitida por el transmisor. En caso de que las condiciones del entorno varíen, la radio cognitiva debería guardar los eventos de los cambios, es decir, que si la banda actual del espectro que está usándose se convierte en no disponible, la función de movilidad del espectro (spectrum handoff) será realizada para operar en la banda de frecuencia disponible. Para realizar esto la radio cognitiva debe conseguir el canal más favorable. Cualquier cambio en el entorno durante la transmisión, referente a los usuarios primarios (movimiento de usuario, o variación de tráfico) puede provocar este ajuste. De lo anterior se deriva que el módulo cognitivo del transmisor debe trabajar en conjunto con el módulo cognitivo del receptor. En orden de mantener la comunicación propicia.

(21) CAPÍTULO 1.. 10. entre el transmisor y el receptor de la radio cognitiva, siempre se necesita un canal de realimentación que conecte el receptor al transmisor. Por el canal de realimentación, el receptor emite cualquier información deseada al transmisor. La radio cognitiva es, por lo tanto, y por necesidad, un ejemplo de los sistemas de comunicación con realimentación [2]. 1.2.2 Capacidad de reconfiguración La reconfigurabilidad es la capacidad de ajustar parámetros de operaciones para la transmisión sin modificar los componentes de hardware. Es por esto que la radio cognitiva puede adaptarse fácilmente al ambiente de radio dinámico. Dentro de los parámetros reconfigurables incorporados en la radio cognitiva están [7]: • La frecuencia de operación: una radio cognitiva es capaz de cambiar la frecuencia de operación. En base a la información sobre el entorno de radio, la frecuencia de operación más conveniente puede ser determinada y la comunicación puede ser dinámicamente realizada en esta frecuencia de operación apropiada. • La modulación: dadas las exigencias del usuario y las condiciones del canal una radio cognitiva debería reconfigurar el esquema de modulación adaptable. Por lo que el esquema de modulación que permite la eficiencia espectral más alta debería ser seleccionado. • La potencia de transmisión: el control de la potencia permite la reconfiguración de esta para la transmisión dinámica dentro del límite de potencia permisible. Si no se requiere una potencia de operación tan alta, la radio cognitiva reduce la potencia del transmisor para disminuir la interferencia y permitir que más usuarios compartan el mismo espectro. • La tecnología de comunicación: una radio cognitiva también puede ser usada para proporcionar la interoperabilidad entre sistemas de comunicación diferentes. Los parámetros de transmisión de una radio cognitiva pueden ser reconfigurados no sólo a principios de la transmisión sino también durante la misma. Según las características del espectro, estos parámetros se reconfiguran de forma tal que la radio cognitiva sea cambiada a una banda del espectro diferente, con el objetivo de beneficiar tanto la comunicación de los usuarios previamente establecidos como su propia comunicación [7]. La capacidad de reconfiguración, es por lo tanto, una característica de gran importancia para las redes de radio cognitiva, dado que esta proporciona la implementación de nuevas.

(22) CAPÍTULO 1.. 11. aplicaciones y servicios emergentes, además de facilitar la incorporación de actualizaciones en tecnología de software y la adaptación de la interfaz de radio para acomodarse a las variaciones del desarrollo de las interfaces estándares [2].. 1.3 Arquitectura física Una arquitectura genérica de un transceptor de una radio cognitiva es mostrado en la figura 1.2 (a) [9]. Los principales componentes comprendidos en un transceptor de radio cognitiva son: el front-end de radio y la unidad de procesamiento de banda base (observar figura 1.2. (a)). Cada componente puede ser configurado a través de un bus de control para adaptarse al entorno de radiofrecuencia. En el front-end la señal recibida es amplificada, mezclada y convertida de señal analógica a señal digital En la unidad de procesamiento de banda base la señal es modulada/demodulada, además de ser codificada y decodificada. La unidad de procesamiento de banda base de una radio cognitiva es esencialmente similar a los transceptores comunes. Sin embargo, la novedad de la radio cognitiva es el front-end de radiofrecuencia (RF), es por eso que se hace énfasis en este [7]. La característica fundamental de un transceptor de radio cognitiva es la capacidad de sensado de banda ancha del front-end. Esta función se relaciona principalmente con las tecnologías de hardware de radiofrecuencia como son la antena de banda ancha, el amplificador de potencia y el filtro de adaptación. El hardware de radiofrecuencia (RF) para una radio cognitiva debe ser capaz de sintonizar cualquier parte de un amplio rango del espectro de frecuencia. Así, el sensado del espectro habilita mediciones en tiempo real de la información del espectro desde el entorno de radio. Generalmente, una arquitectura del front-end de banda ancha para la radio cognitiva tiene la estructura de la Figura 1.2. (b) [7]..

(23) CAPÍTULO 1.. 12. (a). (b) Figura1.2. Arquitectura física de la radio cognitiva: (a) Transceptor de radio cognitiva (b) Arquitectura del front -end de banda ancha a señal analógica [7]. De forma abreviada, a continuación se realiza una descripción de los componentes del front-end [7]: - Filtro de RF: selecciona la banda deseada de la señal recibida de radiofrecuencia mediante un filtro pasa banda. - Amplificador de Bajo Ruido (LNA): amplifica la señal deseada simultáneamente con la minimización de la componente de ruido. - Mezclador: la señal recibida es mezclada con una frecuencia RF generada localmente y convertida a banda base o a una frecuencia intermedia. - Oscilador Controlado por Voltaje (VCO): genera una señal a la frecuencia específica para un voltaje dado que se mezcla con la señal recibida. Este procedimiento convierte la señal recibida a banda base o a una frecuencia intermedia..

(24) CAPÍTULO 1.. 13. - Lazo Cerrado de Fase (PLL): asegura que una señal esté cerrada en una frecuencia específica y pueda ser utilizada para generar frecuencias precisas con buena resolución. - Filtro de selección del canal: se utiliza para seleccionar el canal deseado y rechazar los canales adyacentes. - Control de ganancia automático (AGC): mantiene la ganancia o nivel de potencia de salida de un amplificador sobre un rango amplio de los niveles de señales de entrada. En la arquitectura representada por la figura 1.2 para el modo de recepción, una señal de banda ancha es recibida a través del front-end y muestreada por el conversor análogo/digital de alta velocidad [7]. Al igual que el modo de recepción el de transmisión posee osciladores locales y filtros. En el modo de transmisión se utilizan además amplificadores de potencia y un convertidor digital/analógico [3]. Evidentemente ambos modos utilizan convertidores diferentes, puesto que se requiere un convertidor analógico/digital (A/D) en el modo de recepción, y un convertidor digital/analógico en el modo de transmisión. En el modo de recepción el front-end maximiza el rango dinámico del convertidor analógico/digital para capturar la señal deseada. Mientras que en el modo de transmisión, la propiedad importante del circuito es sintetizar la señal de radiofrecuencia sin introducir ruido y emisiones espurias en cualquier otra frecuencia que podría interferir con otros usuarios en el espectro [3].. 1.4 Arquitectura de la red Las redes de radio cognitiva posibilitan a los usuarios no licenciados hacer uso temporal de las bandas licenciadas que no estén ocupadas por los usuarios primarios. Es por eso que las arquitecturas de redes inalámbricas existentes emplean la diversidad en términos de las políticas del espectro y tecnologías de comunicación [7]. La arquitectura de una red de radio cognitiva comprende tanto la red de usuarios primarios como la red de usuarios cognitivos o red de próxima generación ((xG): de las siglas en inglés neXt Generation). La arquitectura de una red de radio cognitiva referenciada en la figura 1.3, consiste en diferentes tipos de redes: una red primaria, una red de radio cognitiva.

(25) CAPÍTULO 1.. 14. basada en una infraestructura y otra sin infraestructura. Las redes con infraestructura poseen una estación base mientras que las redes sin infraestructura o redes ad-hoc no presentan estación base. En la próxima sección se describe cada uno de los componentes que conforman las redes de radio cognitiva.. Figura 1.3. Arquitectura de las redes de radio cognitiva [7]. 1.4.1 Red primaria La red primaria es una infraestructura de red existente que tiene como derecho exclusivo la ocupación de una determinada banda del espectro. Siendo ejemplos de ellas las redes de telefonía celular y las de transmisión de televisión [7]. Los componentes de la red primaria son los siguientes: Usuario primario: El usuario primario (o usuario licenciado) tiene la autorización para operar en una cierta banda del espectro. Este acceso sólo puede ser controlado por la estación base primaria y no debería ser afectado por las operaciones de ningún otro usuario no autorizado. Estación base primaria: La estación base primaria (o estación base licenciada) es un componente de red de infraestructura fija que tiene una licencia de espectro como el.

(26) CAPÍTULO 1.. 15. sistema de transceptor de estación base en un sistema celular. En principio, la estación base primaria no tiene ninguna capacidad radio cognitiva para compartir el espectro con usuarios pertenecientes a las redes de radio cognitiva. 1.4.2 Red de radio cognitiva La red de radio cognitiva o red de próxima generación (red de acceso dinámico al espectro, red secundaria) no tiene la licencia para funcionar en una banda deseada. De ahí, que el acceso al espectro sea permitido sólo de una manera oportuna. Las redes de radio cognitiva pueden ser desplegadas como una red de infraestructura o como una red sin infraestructura. Los componentes de una red de radio cognitiva se exponen a continuación: Usuario de radio cognitivo: Usuario no licenciado o usuario secundario que no tiene ninguna licencia del espectro. De ahí, que se requieran funcionalidades adicionales para compartir la banda autorizada del espectro. Estación base de radio cognitiva: Estación base no licenciada o estación base secundaria, es un componente de infraestructura fija con capacidades de las redes de radio cognitiva. Provee la conexión de simple salto a usuarios de estas redes sin tener acceso a una licencia del espectro. A través de esta conexión el usuario de la red de radio cognitiva puede tener acceso a otras redes. Administrador del espectro (spectrum broker): Entidad de red central que se relaciona con cada red cognitiva a fin de administrar los recursos del espectro entre diferentes redes de radio cognitiva. De esta forma permite la coexistencia de múltiples redes de radio cognitiva [7].. 1.5 Operaciones de las redes de radio cognitiva Las redes de radio cognitiva pueden funcionar tanto en bandas licenciadas como en bandas no licenciadas. Para ello se requieren una serie de funcionalidades que varían en dependencia de que el espectro sea licenciado o no licenciado..

(27) CAPÍTULO 1.. 16. 1.5.1 Redes de radio cognitiva en bandas licenciadas Debido a la existencia temporal de agujeros del espectro en la banda licenciada, las redes de radio cognitiva se despliegan para explotar los mismos mediante técnicas de comunicación cognitivas. En esta arquitectura la red de radio cognitiva coexiste con la red primaria en la misma posición y en la misma banda del espectro. Aunque el objetivo principal de la red de radio cognitiva sea determinar el mejor espectro disponible, las funciones de esta en la banda licenciada se encuentran enfocadas principalmente en el descubrimiento de la presencia de usuarios primarios. La capacidad del canal de los agujeros del espectro depende de la interferencia a los usuarios primarios cercanos. Así, la evitación de interferencia a usuarios primarios es la cuestión más importante en esta arquitectura. Además, si los usuarios primarios aparecen en la banda del espectro ocupada por usuarios cognitivos, estos deben desocupar la banda del espectro en cuestión y moverse a un nuevo espectro disponible inmediatamente, denominado espectro de reencaminamiento (spectrum handoff). Si el usuario secundario encuentra un nuevo hueco espectral en que continuar la comunicación, el spectrum handoff se habrá realizado con éxito. De lo contrario, si los usuarios cognitivos no encuentran recursos disponibles al migrar a otro hueco espectral, entonces deberán interrumpir su comunicación (spectrum dropping) [7]. 1.5.2 Redes de radio cognitiva en bandas no licenciadas Las redes de radio cognitiva pueden ser diseñadas para la operación en bandas no licenciadas de forma tal que la eficiencia sea mejorada en esta parte del espectro [7]. La red de radio cognitiva, en la arquitectura de banda no licenciada, facilita que todas sus entidades tengan el mismo derecho de acceder a las bandas del espectro. En este caso las múltiples redes de radio cognitiva coexisten en la misma área y se comunican empleando la misma parte del espectro. Los algoritmos para compartir de forma inteligente el espectro pueden mejorar la eficiencia del uso del mismo y permiten brindar una elevada calidad de servicio. En esta arquitectura los usuarios cognitivos se enfocan en la detección de las transmisiones de otros usuarios cognitivos. A diferencia de las operaciones en la banda licenciada, el reencaminamiento del espectro no es provocado por la presencia de otro usuario primario. Sin embargo, ya.

(28) CAPÍTULO 1.. 17. que todos los usuarios de la red de próxima generación tienen el mismo derecho de acceder al espectro, los usuarios cognitivos deberían competir el uno con el otro por la misma banda no licenciada. Si se conectasen múltiples usuarios cognitivos en la misma banda de frecuencia se requeriría también compartir el espectro de la manera más justa [7].. 1.6 Aplicaciones Las redes de radio cognitiva poseen, como resultado de las características que estas presentan, una gran número de aplicaciones. Entre ellas se pueden encontrar en entornos de radio militar, redes de emergencias y arrendadas. - Redes militares: Una de las aplicaciones potenciales más interesantes de una red de radio cognitiva está en el entorno de radio militar [10]. La mayoría de los sistemas de comunicación de los ejércitos deben desplegarse en entornos desconocidos y hostiles, enfrentando problemas de interferencias, conectividad y variaciones impredecibles de éstas. La radio cognitiva facilita la configuración autónoma de los equipos y garantiza la coexistencia al utilizar frecuencias desocupadas. [11]. En [7] se muestra que las redes de radio cognitiva pueden habilitar a la radio militar para elegir diferentes parámetros como el ancho de banda de frecuencia intermedia y los esquemas de modulación y codificación, se adaptan así al ambiente inconstante de radio del campo de batalla. Además, las redes militares tienen la necesidad de asegurar y proteger sus comunicaciones del adversario. Las redes de radio cognitiva podrían permitir que el personal militar realizase el reencaminamiento del espectro para encontrar la banda del espectro más segura para su propia comunicación. - Redes de emergencias: La infraestructura de comunicación existente en un territorio o localidad determinada puede verse afectada por desastres naturales, entonces una red de emergencia se hace indispensable para ayudar a la búsqueda y rescate del personal implicado en los desastres [12]. La red de radio cognitiva provee un personal de seguridad pública que contribuye al reconocimiento de la disponibilidad del espectro y a la reconfiguración de la red con el objetivo de minimizar el retardo de la información y realizar una comunicación mucho más eficiente, puesto que la comunicación de.

(29) CAPÍTULO 1.. 18. emergencia requiere una parte considerable del espectro de radio para manejar volúmenes grandes de tráfico, ya sea de voz, dato o video [7]. - Redes arrendadas: Las redes arrendadas constituyen otra de las aplicaciones de las redes de radio cognitiva. Estas redes son proporcionadas mediante la red primaria para autorizar el acceso oportunista a su espectro licenciado sin sacrificar la calidad de servicio del usuario primario [13]. Las redes de malla inalámbricas surgen como una tecnología rentable para proporcionar la conectividad de banda ancha [14]. Sin embargo, cuando los aumentos de densidad de la red y las aplicaciones requieren el rendimiento más alto, las redes de malla necesitan de una mayor capacidad para encontrar los requerimientos de las aplicaciones. La tecnología de radio cognitiva habilita el acceso a la cantidad más grande del espectro, estas pueden ser utilizadas también para redes de malla, puesto que las mismas serán desplegadas en áreas urbanas de gran densidad [15]. Por ejemplo, el área de cobertura de las redes de radio cognitiva puede ser aumentada cuando una red de malla inalámbrica con infraestructura es establecida, apoyándose en puntos de acceso cognitivos y en nodos cognitivos de relevo fijos, para asistir las comunicaciones primarias. La capacidad de un punto de acceso cognitivo, conectado mediante un acceso de banda ancha a Internet, es distribuido en un área grande con la ayuda de un nodo cognitivo fijo de relevo. Las redes de radio cognitiva tienen la capacidad de añadir el espectro temporal o permanente a los enlaces de infraestructura utilizados para transmitir en caso de que la carga de tráfico sea alta [7].. 1.7 Estándares La evolución rápida en el campo de la radio de próxima generación y la avanzada administración del espectro ha incitado la necesidad del trabajo coordinado en la estandarización de las redes de radio cognitiva. El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos está llevando el proceso de regularización a través de los estándares IEEE 802.22 y la serie SCC41/P1900. El Instituto de Estándares de Telecomunicaciones europeo ha establecido un comité técnico en el área de los sistemas de radio reconfigurables. Este.

(30) CAPÍTULO 1.. 19. comité a partir del 2009, comenzó a enfocarse en estándares que regularan los sistemas de radio configurables. Los estándares IEEE 802.11af y ECMA-392 constituyen otras de las regulaciones sobre las cuales se trabajan continuamente [16]. A continuación se realiza una descripción de algunos de los estándares antes mencionado. 1.7.1 Estandar IEEE 802.22 El IEEE 802.22 es el primer estándar para redes de áreas regionales inalámbricas desarrollado principalmente en los Estados Unidos. A pesar de que la mayoría del desarrollo de tal estándar se realiza en los Estados Unidos se pretende que sea un estándar a nivel mundial. Este estándar utiliza las bandas UHF/VHF de televisión entre los 54MHz y los 862MHz para Norteamérica, mientas que se debate ampliar el rango desde los 41 a 910 MHZ para mejorar los requisitos [17]. Un aspecto distintivo de IEEE 802.22 respecto a los demás estándares de la IEEE 802 es el rango de cobertura de la estación base, que puede acercarse a los 100 kilómetros. El rango de cobertura especificado en la actualidad es de 33 kilómetros para una estación base con potencia radiada isotrópica efectiva de 4 [Watt] [17]. Este estándar para redes de áreas regionales inalámbricas lo conforman estaciones de base de las redes de áreas regionales inalámbricas, repetidores, y los equipos principales de los consumidores [3]. El sistema IEEE 802.22 especifica una interface aérea inalámbrica fija punto a multipunto mediante la cual la estación base gestiona todos los usuarios asociados a ella, que son los denominados equipos principales del consumidor o equipos locales de usuarios [7]. Los sistemas 802.22 son registrados principalmente en áreas rurales y remotas que ofrecen servicios inalámbricos de acceso fijo. La figura 1.4 muestra la infraestructura de una red de área regional inalámbrica típica, en la cual las estaciones de TV, los receptores de TV, los micrófonos inalámbricos, y los sistemas de seguridad públicos, que funcionan en ciertos canales de TV, corresponden a los usuarios primarios, y los suscriptores del sistema 802.22 son los usuarios secundarios . La coexistencia es la exigencia clave para los sistemas 802.22, porque los usuarios secundarios deben evitar interferir en la comunicación de los usuarios primarios y/o de otros usuarios secundarios [3]..

(31) CAPÍTULO 1.. 20. Figura 1.4. Ambiente de radio típico para redes de área regional inalámbrico cognitivo [3]. La estación base de una red de área regional inalámbrica puede saber la posición, la altura de la antena; la potencia de transmisión de las estaciones de TV cercanas; el terreno local; los contornos del servicio de estaciones de televisión; el espectro licenciado usado por las radios de seguridad públicas y las comunicaciones por satélite y la distribución demográfica de receptores de TV y los canales de televisión que pueden ser utilizados. Además, esta debe conocer los modelos de uso y de distribución de otros suscriptores del servicio de red de área regional inalámbrica. Tal información ayuda a la estación base a elegir la mejor oportunidad del espectro para hacer uso del mismo con la potencia de transmisión óptima [3]. Para detectar los siguientes canales de trabajo, el salto de frecuencia dinámico es propuesto por el estándar IEEE 802.22. La detección de estos canales funciona en paralelo con la transmisión de datos por el canal que se esté ocupando en ese momento sin ocasionar ningún tipo de interrupción. El uso del espectro libre de interferencia y eficiente sólo puede.

(32) CAPÍTULO 1.. 21. ser conseguido si múltiples usuarios funcionan en el salto de frecuencia dinámico para que puedan coordinar su comportamiento de salto [5]. 1.7.2 Estandar IEEE P1900/ SCC41 El Comité del Estándar IEEE P1900 fue creado en el año 2005. En el 2007 surge el Comité de Coordinación de Estándares 41 como resultado de la reorganización del estándar P1900 [16]. El estándar SCC41 es dividido en varios grupos, dentro de los cuales se encuentran los siguientes:  IEEE 1900.1- Grupo de Trabajo en Terminología y Conceptos para Sistemas de Radio de Próxima Generación y Dirección del Espectro: proporciona las definiciones precisas de explicaciones y conceptos en los campos de la dirección del espectro, la radio cognitiva y tecnologías de perspectivas diferentes [16].  IEEE 1900.2- Grupo de Trabajo en Recomendaciones Prácticas para Análisis de Coexistencia e Interferencia: provee un modelo que facilita el análisis de la interferencia y coexistencia entre usuarios primarios y usuarios cognitivos operando en la misma banda de frecuencia o en diferentes bandas de frecuencias [16].  IEEE 1900.4: este grupo se enfoca en el diseño de redes reconfigurables y de terminales en entornos inalámbricos heterogéneos, donde los terminales con capacidad de multitrayecto habilitan a usuarios para operar en múltiples enlaces simultáneamente. El bloque de la arquitectura incluye un administrador de reconfiguración de red, el cual proporciona la información sobre el entorno; un módulo de administración de reconfiguración de terminal, que toma la información del modulo de reconfiguración de red y determina las estrategias óptimas para utilizar el recurso de radio. Por último se requiere una habilitación de radio de administración de reconfiguración que actúe como enlace entre los módulos de reconfiguración de red y el de reconfiguración de terminal [5]. 1.7.3 Otros estándares Existen otros estándares entre los cuales se encuentran el IEEE 802.11af y el ECMA-392. IEEE 802.11 af. perfecciona el estándar IEEE 802.11 con el objetivo de reunir los. requisitos legales para el acceso de canal y coexistencia en espacios desocupados de las.

(33) CAPÍTULO 1.. 22. bandas asignadas para la televisión. Mientras que ECMA-392 especifica la capa de control de acceso al medio y la capa física para la operación en bandas de televisión [16].. 1.8 Conclusiones parciales del capítulo Las redes de radio cognitiva han sido el resultado del desarrollo de las comunicaciones mediante los sistemas de radio, con el objetivo principal de resolver la escasez del espectro y el uso ineficiente de las bandas licenciadas. Con la llegada de esta tecnología, en otras palabras, se alcanza un mayor grado de flexibilidad de las extensas redes de comunicación inalámbricas, en cuanto a la inserción de nuevos usuarios y productos emergentes, a fin de remediar la creciente demanda de los mismos, puesto que requieren características de transmisión específicas y recursos de software sumamente complejos. A partir de las capacidades y características de las redes de radio cognitiva, se hace indispensable un diseño de estas redes, fundamentado en la implementación del paradigma más ajustado a las condiciones específicas de cada red..

(34) CAPÍTULO 2.. 23. CAPÍTULO 2. PARADIGMAS EMPLEADOS EN LA RADIO COGNITIVA. En este capítulo se presentan y analizan los paradigmas de las redes de radio cognitiva y analizan las características esenciales de los mismos. En primer lugar se realiza un estudio del sensado del espectro como punto de partida y paso elemental de las redes de radio cognitiva. Se desarrolla además una comparación de estos modelos cognitivos de diseño de redes inalámbricas. 2.1 Detección del espectro Como se explicó en el capítulo anterior, una radio cognitiva se diseña para ser consciente y sensible a los cambios de su entorno. Es por eso que la detección del espectro constituye uno de los requerimientos fundamentales en las redes de radio cognitiva. La detección del espectro les permite a los usuarios cognitivos explotar las porciones del espectro desocupadas del entorno de radio [16]. Luego de detectar y obtener toda la información requerida del espectro se realiza un proceso para compartir las porciones disponibles del mismo. A continuación se exponen los pasos a seguir para arribar al proceso de compartir y coordinar el acceso al espectro de la manera más apropiada [7]: 1. Detección del espectro: un usuario cognitivo sólo puede asignar una parte del espectro si esa parte no es usada por ningún otro usuario ya sea un usuario primario o un usuario cognitivo. 2. Asignación del espectro: Basado en la disponibilidad del espectro, el nodo puede asignar entonces un canal..

(35) CAPÍTULO 2.. 24. 3. Acceso al espectro: Pueden existir múltiples nodos cognitivos que traten de tener acceso al espectro, este acceso también debería ser coordinado a fin de prevenir el choque de múltiples usuarios que se superpongan en las mismas porciones del espectro. 4. Diálogo inicial entre el receptor y el transmisor: Una vez que una parte del espectro es determinada para la comunicación, el receptor de esta comunicación también debe ser notificado sobre el espectro seleccionado. De ahí que un protocolo de diálogo inicial entre el receptor y el transmisor sea esencial para la comunicación eficiente en redes de próxima generación. 5. Movilidad de espectro: los nodos cognitivos son considerados como "visitantes" del espectro al que son asignados, por lo que cuando una parte específica del espectro es requerida para el uso de un usuario licenciado, la comunicación necesitará continuarse en otra porción del espectro que esté disponible, por lo que cambia así su frecuencia de operación y el modo de trabajo de los protocolos de la red. El propósito de la administración de la movilidad de espectro en redes de radio cognitiva es asegurarse que tales transiciones se realicen de manera rápida y sencilla, de forma tal que las aplicaciones llevadas a cabo por un usuario cognitivo perciban la degradación mínima de la calidad de servicio de estas redes durante la movilidad hacia otra porción disponible del espectro. Es esencial para los protocolos de administración de la movilidad del espectro conocer con anterioridad sobre la duración de esta transición. Esta información debe ser proporcionada por el algoritmo de sensado. Por consiguiente, la movilidad del espectro es también importante para la comunicación acertada entre nodos de radio cognitiva.. 2.2. Técnicas utilizadas para compartir el espectro. Existen varias soluciones para compartir las porciones del espectro. Las mismas pueden clasificarse principalmente en tres aspectos: según la arquitectura asumida, el comportamiento de asignación del espectro y la técnica de acceso al espectro [16]. Esta primera clasificación para compartir el espectro en redes de radio cognitiva basada en la arquitectura queda descrita de la siguiente forma:.

(36) CAPÍTULO 2.. 25. Dosificación centralizada del espectro: En estas soluciones, una entidad centralizada controla la asignación del espectro y los procedimientos de acceso [16].Con la ayuda de estos procedimientos, generalmente un procedimiento de sensado distribuido es propuesto, de forma tal que cada entidad en la red de radio cognitiva tramita sus mediciones sobre la asignación de espectro a la entidad central, para que esta a su vez construya un mapa de asignación del espectro [7]. Dosificación del espectro de forma distribuida: Las soluciones distribuidas son principalmente propuestas para casos donde la construcción de una infraestructura no es preferible por lo que cada nodo es responsable de la asignación del espectro y el acceso está basado en políticas locales [16]. La segunda clasificación de las técnicas para compartir el espectro en redes de radio cognitiva está basada en el comportamiento de acceso. El acceso al espectro se realiza mediante la detección del transmisor primario de forma cooperativa y no cooperativa. Acceso al espectro de forma cooperativa: Las mediciones de interferencia realizadas en cada nodo son compartidas entre otros nodos [16]. La detección cooperativa puede ser implementada de manera centralizada o distribuida. En el método centralizado, la estación base juega el importante papel de recopilar toda la información de sensado de los usuarios cognitivos y detectar los huecos del espectro. En cambio, las soluciones distribuidas requieren el intercambio de observaciones entre los usuarios cognitivos. A pesar de que los acercamientos cooperativos proporcionan un mejor funcionamiento de sensado, estos causan efectos adversos en redes con limitaciones de recursos debido al elevado tráfico [7]. Acceso al espectro de forma no cooperativa: Para la detección se considera solamente el nodo primario cercano. Mientras que las soluciones no cooperativas pueden causar la utilización reducida del espectro, los requerimientos mínimos de comunicación entre otros nodos introducen una compensación para soluciones prácticas [16]. Finalmente, la tercera clasificación para llevar a cabo el proceso de compartir el espectro en redes de radio cognitiva está basada en la tecnología de acceso al espectro. Este es el.

(37) CAPÍTULO 2.. 26. punto central que enmarca el presente capítulo y a la vez una de las cuestiones fundamentales de esta investigación. La tecnología de acceso al espectro está dada por tres paradigmas: underlay, overlay e interweave.. 2.3 Paradigmas de diseño de redes de radio cognitiva: características fundamentales El paradigma underlay permite que los usuarios cognitivos operen siempre que la interferencia causada a los usuarios primarios está por debajo de un umbral dado. En sistemas overlay, las radios cognitivas usan procesamiento de señal y codificación sofisticada para mantener o mejorar la comunicación de las radios no cognitivas, además de obtener algún ancho de banda adicional para su propia comunicación. En sistemas interweave, las radios cognitivas explotan oportunistamente los agujeros espectrales para comunicarse sin interrumpir a otras transmisiones. A continuación se describe cada uno de estos paradigmas, así como la política reguladora asociada y la factibilidad de obtener la información secundaria requerida por cada uno de ellos. 2.3.1 Paradigma underlay Abarca técnicas que permiten la comunicación mediante la radio cognitiva asumiendo que esta posee conocimiento de la interferencia causada por su transmisor a los receptores de los usuarios primarios. Permite también que los usuarios cognitivos operen mientras la interferencia a los usuarios primarios esté por debajo de un umbral dado [1]. Para ello la Comisión Federal de Comunicaciones establece el límite de temperatura de interferencia qué proporciona una medida de la cantidad máxima de interferencia tolerable para una banda de frecuencia dada. Cualquier transmisor cognitivo usando esta banda debe garantizar que su transmisión con la existencia del ruido y la interferencia no debe exceder este límite de temperatura de interferencia en un receptor primario, de modo que la interferencia esté dentro de un límite dado y los usuarios primarios puedan entregar su paquete al receptor con éxito [5]..

(38) CAPÍTULO 2.. 27. La potencia de los transmisores cognitivos es conservada para asegurar que su señal permanezca por debajo del umbral de interferencia prescrita. En este caso los requerimientos de interferencia son bastante estrictos, los usuarios están limitados a acortar el rango de transmisión. Este paradigma puede ser utilizado en bandas sin licencias para proveer diferentes clases de servicios a diferentes usuarios, aunque por lo general se utilice en las bandas con licencias [1]. 2.3.2 Paradigma overlay Este paradigma de la radio cognitiva utiliza codificación y procesamiento de señal sofisticado para mantener o mejorar la comunicación de la radio no cognitiva. Además obtiene anchos de banda adicionales para su propia comunicación. La premisa de estos sistemas es que los transmisores cognitivos tengan conocimiento de la ganancia del canal, los códigos y los mensajes de los usuarios no cognitivos. La información de los códigos puede ser obtenida por ejemplo, si los usuarios primarios siguen un estándar uniforme para la comunicación basada en la divulgación de dichos códigos. Un mensaje de un usuario primario se debería obtener mediante la decodificación del mensaje en un receptor cognitivo. Sin embargo el modelo overlay asume que los mensajes de los usuarios primarios son conocidos en el transmisor cognitivo cuando los usuarios primarios comienzan sus transmisiones [1]. Lo asumido anteriormente es poco práctico pero se puede sostener para la retransmisión del mensaje donde el usuario cognitivo escucha la primera transmisión y la decodifica, en contraste con el receptor primario, pues el mismo no alcanza decodificar la transmisión inicial debido a la interferencia. De no suceder así, el usuario primario consigue enviar su mensaje al usuario cognitivo antes de su transmisión. El conocimiento sobre los mensajes y/o códigos de los usuarios primarios pueden ser utilizados para eliminar o disminuir la interferencia percibida en los receptores cognitivos y primarios. Por otra parte, los usuarios cognitivos pueden utilizar el conocimiento del mensaje del usuario no cognitivo y asignar parte de su potencia para su propia comunicación y la.

(39) CAPÍTULO 2.. 28. restante para transmitir los mensajes de los usuarios primarios. Esta última es una forma de balancear la interferencia que le ocasionan los usuarios cognitivos a los usuarios primarios. Mediante la opción cuidadosa de la división de la potencia, el incremento de la relación de señal a ruido del usuario no cognitivo, debido a la ayuda de la retransmisión cognitiva, puede ser exactamente compensado por la disminución de la relación señal a ruido del usuario no cognitivo, como resultado de la interferencia causada por el resto de la potencia de transmisión del usuario cognitivo utilizada para su propia comunicación. Esto garantiza que la razón del usuario no cognitivo permanezca sin alteración. El paradigma overlay puede ser aplicado a comunicaciones en bandas licenciadas o bandas no licenciadas: Bandas licenciadas: A los usuarios cognitivos se les permitiría compartir la banda con los usuarios bajo licencia pues no interferirían en sus transmisiones, incluso las mejorarían. Bandas no licenciadas: Los usuarios cognitivos habilitarían una eficiencia espectral más alta mediante el conocimiento de los mensajes y los códigos de los usuarios primarios para reducir la interferencia [1]. 2.3.3 Paradigma interweave El paradigma está basado en la idea de la comunicación oportuna y era la motivación original para la radio cognitiva. La idea surgió después de estudios conducidos por la Comisión Federal de Comunicaciones y mostraba, que en determinados instantes, varias porciones del espectro no se aprovechan adecuadamente. En otras palabras, el usuario cognitivo conoce los huecos espectrales en espacio, tiempo o frecuencia tanto en bandas licenciadas como en bandas no licenciadas. Estos huecos cambian con el tiempo y la posición geográfica y pueden ser explotados por usuarios cognitivos para sus comunicaciones. La utilización del espectro es mejorada con la utilización oportunista de estos huecos por parte de los usuarios secundarios. La técnica interweave requiere el conocimiento de la información de la actividad en el espectro de los usuarios primarios. Algo a considerar es que en una banda de frecuencia donde todos los usuarios son usuarios primarios, los usuarios secundarios que se le incorporan no deben interferir en las comunicaciones de los usuarios primarios activos..

(40) CAPÍTULO 2.. 29. Para resumir, interweave es un sistema de comunicación inalámbrico inteligente que monitorea periódicamente el espectro de radio, de manera inteligente detecta la ocupación de las diferentes bandas de frecuencia y luego oportunistamente utiliza los huecos espectrales para transmitir creando la mínima interferencia sobre los usuarios ya existentes [1].. 2.4. Comparación entre los tres paradigmas‫ ׃‬underlay, overlay e interweave. Estos paradigmas están caracterizados por el mismo objetivo primordial que consiste en, a partir de la información del entorno obtenida a través del sensado del espectro, intentar utilizar el espectro de radio de la manera más eficiente. Estos modelos se diferencian en los aspectos siguientes [1]: Mientras las técnicas de underlay y overlay permiten la concurrencia de las comunicaciones cognitivas y no cognitivas, evitar transmisiones simultáneas con usuarios primarios es el principal objetivo de la técnica interweave, al menos que esté realizando el proceso de detección de los huecos espectrales. Los paradigmas se diferencian en el tipo de información secundaria que necesitan para su funcionamiento. El sistema underlay requiere conocimiento de la interferencia causada por los transmisores cognitivos a los receptores primarios Overlay demanda una gran cantidad de información secundaria como son los códigos y mensajes de los usuarios no cognitivos. Interweave requiere considerable información de los usuarios no cognitivos como es la actividad de los mismos, que obtiene mediante la detección robusta del usuario no cognitivo. Además de limitar el nivel de potencia del dispositivo, el usuario cognitivo transmite potencia en interweave y underlay, lo que es decidido por el rango del sensado de los huecos espectrales y por el constreñimiento de interferencia, respectivamente. Sin embargo, en sistemas overlay el usuario cognitivo puede transmitir a cualquier potencia, la.

(41) CAPÍTULO 2.. 30. interferencia a los usuarios no cognitivos puede ser compensada mediante la retransmisión de su mensaje. Mientras underlay, overlay, e interweave son tres acercamientos distintos de la radio cognitiva, los esquemas híbridos también pueden ser construidos por la combinación de las ventajas de estos acercamientos.. 2.5. Cuestiones generales sobre los paradigmas. 2.5.1 Radio cognitiva underlay El paradigma underlay asume diferentes modelos de canales como: canales de ruido blanco Gaussiano aditivo (AWGN) y canales Gaussianos de múltiples accesos (canales uplink). Un nivel de interferencia promedio recibida en el receptor primario por encima del establecido es equivalente a limitar la potencia promedio de transmisión en el transmisor cognitivo. En la comunicación cognitiva underlay con múltiples usuarios cognitivos y no cognitivos, la optimización de la razón total del usuario cognitivo (con la interferencia de otros usuarios considerada como ruido) puede ser formulada cuando es un problema general de la comunicación de múltiples usuarios con límites de la potencia de transmisión en los transmisores cognitivos y constreñimientos de interferencia en los receptores primarios. Los sistemas cognitivos underlay también pueden explotar múltiples antenas de transmisión/recepción en los transmisores y receptores cognitivos y no cognitivos. Si se toma una red con múltiples antenas de transmisión en el transmisor cognitivo y una antena simple en el transmisor no cognitivo y en todos los receptores y además se asume que cada uno de los nodos tiene conocimiento global del canal. El receptor primario debe ser, como de costumbre, protegido por un límite de interferencia. Si se impone un límite de interferencia en el receptor primario, el transmisor cognitivo puede direccionar sus emisiones al receptor cognitivo, de manera que la comunicación primaria no resulte afectada en gran medida [1]..