Fig. 1: Imagem esquemática mostrando o espectro de rádio eletromagnético
O espectro de rádio eletromagnético é um recurso natural licenciado e alocado pelo governo para uso de transmissores e receptores. Um espectro é uma coleção de comprimentos de onda de ondas de radiofrequência que estão disponíveis para serviços de comunicação sem fio. Esses comprimentos de onda são divididos e seus colchetes (chamados de 'bandas') são alocados para diversos fins, como GSM/HSPA, 3G, 4G, TV, Wi-Fi, comunicação de defesa, radiodifusão, satélites móveis, satélites aeronáuticos, etc. O espectro eletromagnético é um recurso que não pode ser esgotado, mas pode estar superlotado em algumas bandas mais do que em outras devido a esta alocação estática. As bandas mais utilizadas pelas operadoras de telecomunicações tendem a estar superlotadas, enquanto algumas das outras bandas, como transmissão de TV ou rádio, estão quase todas vazias. Isso causa um uso ineficiente do espectro, levando à má qualidade do sinal nas bandas lotadas, enquanto muitas das bandas sublotadas ficam sem uso. A subutilização desse espectro eletromagnético leva ao que chamamos de “Buracos de espectro” (uma banda de frequências atribuída a um usuário principal, mas em um horário e local específicos não está sendo utilizada por esse usuário).
Para tornar a utilização do espectro mais eficiente, um usuário secundário, que não consegue ser atendido por sua banda, pode ter acesso a uma lacuna de espectro no horário e localização geográfica corretos. Este tipo de alocação dinâmica pode ser feita pelo “Rádio Cognitivo” que utiliza um Rádio Definido por Software (SDR) por alocação eficiente de espectro pela utilização do buracos de espectro em uma faixa para compensar a superlotação de outra faixa. Neste artigo definiremos um rádio cognitivo e por que precisamos dele e nos aprofundaremos na tecnologia envolvida. fazendo funcionar.
História da Rádio Cognitiva
A necessidade do desenvolvimento de um rádio cognitivo tem contribuído por muitos factores, sendo o principal deles o aumento constante da necessidade do espectro radioeléctrico com o aumento da comunicação sem fios a altas velocidades de comunicação e sinais mais fortes. No ano 2000, ocorreu uma explosão numa fábrica de fogos de artifício nos Países Baixos, na qual 23 pessoas morreram, feriram muitas pessoas e destruíram muitas propriedades. Durante esta crise, as linhas diretas de emergência enfrentaram graves problemas de comunicação e causaram ainda mais deterioração e destruição. O mesmo problema foi enfrentado durante o 11 de Setembro nos EUA no ano de 2001. Estes incidentes devastadores levaram as sociedades intelectuais e académicas a trabalhar no sentido do desenvolvimento de um melhor sistema de gestão do escasso recurso que é o espectro electromagnético. Neste sentido, o Reino Unido deu um primeiro passo em 2002 através de um relatório do Professor Cave que detalhou a possibilidade de vender espectro de acordo com a largura de banda necessária. Muitos desenvolvimentos e pesquisas foram feitos no campo das comunicações. A palavra real 'Rádio Cognitivo' foi cunhada por Joseph Mitola em 1999 em um seminário de comunicações sem fio sobre o mesmo no Instituto Real de Tecnologia, na Suécia.
Tecnologia CR
O rádio cognitivo inclui quatro blocos funcionais principais
-
Detecção de Espectro
-
Gestão do Espectro
-
Compartilhamento de espectro e
-
Mobilidade Espectral
Figura 2: Diagrama explicando o conceito de rádio cognitivo
O Spectrum Sensing determinará a disponibilidade do espectro e a presença dos usuários licenciados (também conhecidos como usuários primários). O gerenciamento do espectro irá prever por quanto tempo as lacunas do espectro permanecerão abertas para uso dos usuários não licenciados (também chamados de usuários secundários ou usuários CR). O Compartilhamento de Espectro visa alocar as lacunas de espectro de forma equitativa entre os usuários secundários, tendo em mente o custo de uso. A Mobilidade do Espectro visa garantir e manter os requisitos de comunicação contínuos durante a transição para um espectro mais leve. A função de detecção de espectro é a mais crucial para estabelecer uma rede de rádio cognitiva. Existem algumas técnicas utilizadas para detecção de espectro, que são; Detecção de transmissor primário, detecção cooperativa e detecção de interferência. A razão pela qual a detecção de espectro é a tarefa mais crucial é que existem muitas incertezas conectadas durante a captação dos sinais para encontrar as lacunas na banda, como incerteza de canal, incerteza de ruído, limite de interferência de detecção, etc. ao mesmo tempo em que resolve o problema da detecção de espectro em redes de rádio cognitivas.
Figura 3: Ciclo de Rede de Rádio Cognitiva
Sensor de espectro
Portanto, o maior desafio na detecção do espectro é que os utilizadores secundários têm de detectar a presença dos utilizadores primários no espectro licenciado e sair da banda de frequências o mais rapidamente possível se o rádio primário correspondente surgir, para que o utilizador primário não enfrente qualquer problema. interferência. Este é o primeiro e mais importante passo na implementação do sistema CR. As técnicas de detecção de espectro são classificadas em 3 tipos principais, detecção de transmissor (detecção não cooperativa), detecção cooperativa e testes baseados em interferência. Abaixo estão as descrições das duas primeiras técnicas de detecção.
Detecção de Transmissor
Na detecção de transmissores, há uma classificação adicional em Detecção de Energia, Detecção de Filtro Combinado e Detecção de Recursos Cicloestacionários. O método de detecção de energia detecta o sinal primário com base na energia detectada. O sinal passa por um filtro passa-banda e é integrado ao longo de um período de tempo. A saída é testada em relação a um limite predefinido. Isso revela se um usuário principal está presente ou ausente. Um filtro de correspondência é um filtro linear e é usado quando o usuário secundário tem conhecimento prévio do sinal do usuário primário. Ele fornece mais precisão ao custo de ser mais complexo.
Figura 4: Diagrama de blocos mostrando o processo de detecção de detecção de energia
Figura 5: Diagrama de blocos explicando a detecção de filtro correspondente
Técnicas Cooperativas
Requisitos de sensibilidade mais elevados para o usuário CR se vários usuários CR cooperarem na detecção do canal. Portanto, ele será compartilhado e comparado entre vários usuários de CR para detectar um sinal
Fig. 6: Comparação de precisões versus complexidades entre várias tecnologias de CR
Gestão do Espectro
Ele captura o melhor espectro disponível para atender aos requisitos do usuário secundário, simultaneamente não criando interferência no usuário primário e, em seguida, transmite dentro do intervalo de espectro que é alocado através do sensor de espectro. Freqüentemente, há múltiplas opções apresentadas pela função de detecção de espectro, mas é função do sistema de gerenciamento de espectro decidir qual opção é a melhor escolha. A gestão do espectro é realizada em duas etapas principais
-
Análise de espectro (comparando as opções)
-
Decisão do Espectro (Escolhendo a melhor opção)
Futuro da Rádio Cognitiva
O sucesso da banda não licenciada em acomodar uma ampla gama de dispositivos e serviços sem fio inspirou a FCC (Comissão Federal de Comunicações) nos EUA a abrir mais bandas não licenciadas. A autoridade de telecomunicações dos EUA percebeu a capacidade da tecnologia CR e espera abrir bandas não licenciadas que explorarão as bandas licenciadas utilizadas de forma ineficiente, uma vez que os utilizadores primários não sofrem interferências. Um exemplo seria a utilização de rádios para operar em faixas de transmissão de TV. Embora a TRAI (Autoridade Reguladora de Telecomunicações na Índia) ainda não utilize as redes CR devido a preocupações com certas questões de segurança, como; Proteção contra ataques de protocolo, ataques de aplicativos, introdução não autorizada de usuários, acesso não autorizado a dados do sistema, ataques de negação de serviços (DoS) e negação de serviço distribuída (DDoS). No entanto, muita investigação e financiamento estão a ser direccionados para a Rádio Cognitiva para resolver ainda mais o grave problema da sobrelotação do Espectro, de modo que a Índia está agora a tornar-se um centro global de Tecnologia de Informação e Serviços.
