Fig. 1: Imagen esquemática que muestra el espectro de radio electromagnético.
El espectro radioeléctrico electromagnético es un recurso natural autorizado y asignado por el gobierno para uso de transmisores y receptores. Un espectro es una colección de longitudes de onda de ondas de radiofrecuencia que están disponibles para servicios de comunicación inalámbrica. Estas longitudes de onda se dividen y sus corchetes (llamados 'bandas') se asignan para diversos fines como GSM/HSPA, 3G, 4G, TV, Wi-Fi, comunicaciones de defensa, radiodifusión, satélites móviles, satélites aeronáuticos, etc. El espectro electromagnético es un recurso que no se puede agotar, pero puede estar saturado en algunas bandas más que en otras debido a esta asignación estática. Las bandas más utilizadas por los operadores de telecomunicaciones tienden a estar saturadas, mientras que algunas de las otras bandas, como la televisión o la radio, están en su mayoría vacías. Esto provoca un uso ineficiente del espectro, lo que conduce a una mala calidad de la señal en bandas saturadas, mientras que muchas de las bandas poco pobladas quedan sin uso. La subutilización de este espectro electromagnético conduce a lo que llamamos “agujeros del espectro” (una banda de frecuencias asignadas a un usuario principal, pero que en un momento y lugar específicos no está siendo utilizada por ese usuario).
Para hacer que el uso del espectro sea más eficiente, un usuario secundario, que no puede ser atendido por su banda, puede acceder a una brecha de espectro en el momento y ubicación geográfica correctos. Este tipo de asignación dinámica se puede realizar mediante "Radio cognitiva", que utiliza una radio definida por software (SDR) para una asignación eficiente del espectro mediante el uso de huecos de espectro en una banda para compensar la saturación en otra banda. En este artículo definiremos una radio cognitiva y por qué la necesitamos y profundizaremos en la tecnología involucrada. haciéndolo funcionar.
Historia de la radio cognitiva
La necesidad del desarrollo de una radio cognitiva se ha visto favorecida por muchos factores, siendo el principal el aumento constante de la necesidad de espectro radioeléctrico con el aumento de las comunicaciones inalámbricas a altas velocidades de comunicación y señales más fuertes. En el año 2000 se produjo una explosión en una fábrica de fuegos artificiales en los Países Bajos, en la que murieron 23 personas, muchas resultaron heridas y se destruyeron muchas propiedades. Durante esta crisis, las líneas directas de emergencia enfrentaron graves problemas de comunicación y causaron mayor deterioro y destrucción. El mismo problema se enfrentó durante el 11 de septiembre en los EE. UU. en 2001. Estos incidentes devastadores llevaron a las sociedades intelectuales y académicas a trabajar para desarrollar un mejor sistema de gestión del recurso escaso que es el espectro electromagnético. En este sentido, el Reino Unido dio un primer paso en 2002 a través de un informe del profesor Cave que detallaba la posibilidad de vender espectro según el ancho de banda requerido. Se han realizado muchos desarrollos e investigaciones en el campo de las comunicaciones. La palabra actual "Radio Cognitiva" fue acuñada por Joseph Mitola en 1999 en un seminario sobre comunicaciones inalámbricas sobre la misma en el Real Instituto de Tecnología de Suecia.
Tecnología RC
La radio cognitiva incluye cuatro bloques funcionales principales.
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Detección de espectro
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Gestión del espectro
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compartir espectro y
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Movilidad espectral
Figura 2: Diagrama que explica el concepto de radio cognitiva
Spectrum Sensing determinará la disponibilidad del espectro y la presencia de usuarios con licencia (también conocidos como usuarios primarios). La gestión del espectro predecirá cuánto tiempo permanecerán abiertas las brechas de espectro para el uso de usuarios sin licencia (también llamados usuarios secundarios o usuarios CR). Spectrum Sharing tiene como objetivo asignar las brechas de espectro de manera equitativa entre los usuarios secundarios, teniendo en cuenta el costo de uso. Spectrum Mobility tiene como objetivo garantizar y mantener requisitos de comunicaciones fluidos durante la transición a un espectro más ligero. La función de detección del espectro es la más crucial para establecer una red de radio cognitiva. Existen algunas técnicas utilizadas para la detección del espectro, las cuales son; Detección de transmisor primario, detección cooperativa y detección de interferencias. La razón por la cual la detección del espectro es la tarea más crucial es que hay muchas incertidumbres relacionadas al recoger las señales para encontrar los espacios en la banda, como la incertidumbre del canal, la incertidumbre del ruido, el límite de interferencia de detección, etc. al mismo tiempo que se resuelve el problema de la detección del espectro en redes de radio cognitivas.
Figura 3: Ciclo de la red de radio cognitiva
sensor de espectro
Por lo tanto, el mayor desafío en la detección del espectro es que los usuarios secundarios tienen que detectar la presencia de usuarios primarios en el espectro con licencia y salir de la banda de frecuencia lo más rápido posible si emerge la radio primaria correspondiente, de modo que el usuario primario no enfrente ningún problema. . interferencia. Este es el primer y más importante paso en la implementación del sistema CR. Las técnicas de detección de espectro se clasifican en 3 tipos principales: detección de transmisores (detección no cooperativa), detección cooperativa y pruebas basadas en interferencias. A continuación se describen las dos primeras técnicas de detección.
Detección del transmisor
En la detección de transmisores, existe una clasificación adicional en Detección de potencia, Detección de filtro combinado y Detección de características cicloestacionarias. El método de detección de potencia detecta la señal primaria en función de la potencia detectada. La señal pasa a través de un filtro de paso de banda y se integra durante un período de tiempo. La salida se prueba frente a un umbral predefinido. Esto revela si un usuario principal está presente o ausente. Un filtro coincidente es un filtro lineal y se utiliza cuando el usuario secundario tiene conocimiento previo de la señal del usuario principal. Proporciona más precisión a costa de ser más complejo.
Figura 4: Diagrama de bloques que muestra el proceso de detección de energía
Figura 5: Diagrama de bloques que explica la detección de filtro correspondiente
Técnicas cooperativas
Requisitos de sensibilidad más altos para el usuario de CR si varios usuarios de CR cooperan en la detección de canales. Por lo tanto, se compartirá y comparará entre múltiples usuarios de CR para detectar una señal.
Fig. 6: Comparación de precisiones versus complejidades entre varias tecnologías CR
Gestión del espectro
Captura el mejor espectro disponible para satisfacer los requisitos del usuario secundario y al mismo tiempo no crea interferencias para el usuario principal y luego transmite dentro del rango de espectro asignado a través del sensor de espectro. A menudo, la función de detección del espectro presenta múltiples opciones, pero es función del sistema de gestión del espectro decidir cuál es la mejor opción. La gestión del espectro se lleva a cabo en dos pasos principales
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Análisis de espectro (comparando las opciones)
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Decisión de espectro (elegir la mejor opción)
El futuro de la radio cognitiva
El éxito de la banda sin licencia a la hora de dar cabida a una amplia gama de dispositivos y servicios inalámbricos ha inspirado a la FCC (Comisión Federal de Comunicaciones) de EE. UU. a abrir más bandas sin licencia. La autoridad de telecomunicaciones de EE. UU. se ha dado cuenta de la capacidad de la tecnología CR y espera abrir bandas sin licencia que explotarán las bandas con licencia utilizadas de manera ineficiente, ya que no se interfiere con los usuarios principales. Un ejemplo sería el uso de radios para operar en bandas de transmisión de TV. Aunque TRAI (Autoridad Reguladora de Telecomunicaciones de la India) todavía no utiliza redes CR debido a preocupaciones sobre ciertos problemas de seguridad como; Protección contra ataques de protocolo, ataques de aplicaciones, introducción de usuarios no autorizados, acceso no autorizado a datos del sistema, ataques de denegación de servicio (DoS) y denegación de servicio distribuido (DDoS). Sin embargo, se están dirigiendo muchas investigaciones y fondos a la Radio Cognitiva para resolver aún más el grave problema de la saturación del espectro, de modo que la India se está convirtiendo ahora en un centro global de tecnología y servicios de la información.
