Diseño de un Sistema de Gestión de Espectro de Radio en ... · PDF fileDiseño de un Sistema de Gestión de Espectro de Radio en Bandas Licenciadas PRESENTADO ANTE: Agencia Nacional

Diseño de un Sistema deGestión de Espectro de Radio

en Bandas Licenciadas

Diseño de un Sistema de Gestión de Espectro de Radio enBandas Licenciadas

PRESENTADO ANTE:

Agencia Nacional del Espectro

Por:

Grupo de investigación en Desarrollo y Aplicación enTelecomunicaciones e Informática (GIDATI)

Investigador Principal:Leonardo Betancur Agudelo. PhD

.

Escuela de Ingeniería de TelecomunicacionesUniversidad Pontificia Bolivariana

Medellín, 14 de Diciembre de 2016

Tabla de Contenido

Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1 Descripción del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.1 Descripción y Justificación del Proyecto 9

1.2 Objetivos del Proyecto 111.2.1 Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.2.2 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3 Metodología 111.3.1 Fase I: Planeación y modelo de canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.3.2 Fase II: Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.3.3 Fase III: Desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.3.4 Fase IV: Pruebas de laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.3.5 Fase V: Análisis de Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.3.6 Metodología general de diseño y desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.4 Resultados y Alcances 13

2 Diseño general de los sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.1 Antecedentes y Bases conceptuales 152.1.1 Asignación espectral en Colombia y Retos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.1.2 Radio Cognitiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.1.3 El radio definido por software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.1.4 El ciclo cognitivo y su aplicación en el sistema de gestión espectral . . . . . . . . . 18

2.2 Diseño del Sistema de Gestión para Asignación Automática de Espectro(SISGAAE) 19

2.2.1 Escenario propuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.2 Modelo por capas del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2.3 Arquitectura General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.3 Algoritmo general de operación 22

2.4 Historias de Usuario 23

2.5 Resumen de las especificaciones técnicas del SISGAAE 25

2.6 Diseño del sistema de Gestión de White Spaces Colombia 252.6.1 Descripción general del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.6.2 Arquitectura del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.6.3 Diseño preliminar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.6.4 Historias de Usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3 Modelo de Canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.1 Propagación en la banda de 3.5 GHz: Modelo Teórico 32

3.2 Diseño y desarrollo de la campaña de medidas 33

3.3 Configuración de las medidas 34

3.4 Propagación en la banda de 3.5 GHz: Modelo experimental 35

3.5 Deducción del modelo 35

4 Diseño y Desarrollo del Usuario Cognitivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.1 EL Radio USRP B200 mini 37

4.2 Definición e implementación de las funciones del usuario cognitivo 384.2.1 Función Registrar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.2.2 Función Medir Canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.2.3 Función Pedir Canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.2.4 Función Usar Canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5 Diseño y Desarrollo del Centro de Fusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435.0.5 Componentes del Centro de Fusión y escalabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435.0.6 El Spectrum Broker (SB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445.0.7 El Motor Cognitivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455.0.8 El radio USRP X310 de Ettus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.1 Operación y funciones del servidor 475.1.1 Función Conectar SB: S-FCSB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475.1.2 Función Agregar a Lista: S-FA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.1.3 Función Pedir Canal: S-FPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495.1.4 Función Asignar Canal: S-FAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495.1.5 Función Medir Canal: S-FMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5

5.2 Operación y funciones del Spectrum Broker (SB) 505.2.1 Función Registro: B-RSB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505.2.2 Función Listar Usuarios: B-FLU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.2.3 Función Pedir Reporte: B-FPR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.2.4 Función Medir Canal: B-FMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.2.5 Función Procesar Medidas: B-FPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525.2.6 Función Asignar Canal: B-FAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.3 Algoritmo de Asignación de Canal 52

5.4 Implementación y prueba de Algoritmos 53

6 Desarrollo del Gestor White Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

6.1 Desarrollo de la aplicación en Bing Maps 58

6.2 Implementación de la aplicación en Bing Maps 596.2.1 Usuario Anónimo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596.2.2 Usuario Registrado y Licenciado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606.2.3 Usuario Administrador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

A Anexo 1: Código Fuente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

B Anexo 2: Diagramación del sistema WS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

C Anexo 3: Pasos para Ejecutar el Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Resumen Ejecutivo

Ficha Técnica:

Titulo Diseño de un Sistema de Gestión de Espectro de Radio en Bandas LicenciadasParticipantes Leonardo Betancur Agudelo Investigador Principal

Cristina Gomez Santamaria Co investigadorRoberto Carlos Hincapie Co investigador

Jeison Marin Alfonso Auxiliar con MSCJuan Habib Bendeck Soto Auxiliar ingeniero Sistemas

Julian Gómez Espinel Auxiliar SoftwareMaicol Llano Moncada Auxiliar Telecomunicaciones

Entidad Ejecutora Grupo de investigación GIDATI UPBEntidad Financiadora Agencia Nacional del Espectro

Monto Total 218174335.3 COPDuración 19 semanasTemática Gestión del Espectro

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Resumen del proyecto realizado:

En el presente proyecto se desarrolló un Sistema de Gestión que asigna espectro electromagnéticoen una banda seleccionada, de 3.3 a 3.7 GHz, de forma automática, usando radios configurables,técnicamente denominados Radios Definidos por Software (SDR). El sistema se ha denominadoformalmente Sistema de Gestión para Asignación Automática de Espectro (SISGAAE). En esteprototipo se diseñaron y desarrollaron dos componentes fundamentales: El gestor de espectro y elsistema de radio. Para el desarrollo e implementación de estos sistemas, se usó una metodologíabasada en cuatro etapas: Formulación de las historias de usuario, diseño de las funciones asociadas,desarrollo de los algoritmos y finalmente implementación y pruebas de los equipos.

El Sistema de Radio, que en este trabajo se denomina Usuario Cognitivo, es el que desea accedera recursos espectrales en la banda mencionada, y para hacerlo debe hacer una solicitud a un GestorEspectral. El Usuario Cognitivo, de forma mas específica, hace primero un monitoreo espectral, paraenviar posteriormente la información sensada al sistema de Gestión Espectral, el cual le asignará uncanal de operación de acuerdo a la información por el sensada y a la información de otros usuarioscognitivos. El monitoreo que hace el Usuario Cognitivo consiste en el uso de técnicas de sensadoespectral para identificar los huecos espectrales, las bandas ocupadas y las interferencias. El UsuarioCognitivo debe tener la capacidad de realizar sensado espectral y de autoconfigurarse para transmitiro recibir señal en un canal determinado bajo un esquema de modulación seleccionado, por lo quecorresponde a un radio definido por software (SDR), y así será nombrado en este informe. Para esteproyecto, se decidió implementar los Usuarios Cognitivos en radios USRP B200 mini.

De otro lado, el gestor de espectro asigna y licencia el uso del espectro, con base en la informaciónespectral enviada por distintos SDR’s. En este trabajo se nombra a todo el sistema de gestión espectralcomo Centro de Fusión. El Centro de Fusión organiza sus funciones a través de la acción de dosentidades: Un Servidor y un Spectrum Broker. El Servidor es un sistema de cómputo alterno, quesirve de interfaz entre el Spectrum Broker y los Usuarios Cognitivos, cumpliendo principalmentefunciones de almacenamiento de información, registro de usuarios cognitivos, registro de SpectrumBroker’s, atención de solicitudes espectrales por parte de los usuarios cognitivos, atención desolicitudes de monitoreo por parte del Spectrum Broker, entre otras funciones. Esta arquitecturaplantea que siempre que un Usuario Cognitivo quiera acceder a recursos espectrales, debe hacerla solicitud a través del Servidor al Spectrum Broker, y siempre que un Spectrum Broker solicitedatos de monitoreo espectral a los Usuarios Cognitivos, lo haga igualmente a través del Servidor.El Spectrum Broker, por su parte, es la entidad que realizará asignación de canal a los usuarioscognitivos, es decir, es el cerebro del sistema, mientras que el Servidor es el músculo del sistema. Eneste trabajo el Spectrum Broker fue desarrollado en un radio USRP X310.

Este desarrollo se considera de gran importancia e impacto para el Pais y para la AgenciaNacional del Espectro, ya que el paradigma actual de asignación de espectro está cambiando a nivelmundial, y es importante que el país sea pionero en proponer y desarrollar alternativas de gestiónespectral que satisfagan las necesidades que se generarán en futuros escenarios. La saturación de unasbandas específicas de radio, la forma de licenciamiento actual, la estructura de los permisos que hoyen día están otorgados, y las características de los usuarios de radio hacen que los esquemas actualesde asignación de espectro y administración del mismo sean insuficientes. Es por eso que los sistemasde asignación y licenciamiento de espectro fijos actuales deben evolucionar a sistemas de asignación,subasta y licenciamiento automáticos o semi automáticos. Se entiende por subasta, a sistemas donde

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diferentes dispositivos de radio puedan hacer requerimiento dinámico de espectro y éste les seaasignado de forma automática de acuerdo a criterios pre-definidos. Esto requiere de dispositivos decierto nivel de inteligencia como los radios cognitivos, que permiten la auto-configuración de lasredes en distintos escenarios permitiendo un uso eficiente y razonable del espectro electromagnético.

Alrededor del tema de gestión automática de espectro, adicionalmente en este proyecto sedesarrolló un sistema de gestión dinámica de usuarios mediante bases de datos previamenteelaboradas que contienen información de espacios blancos (White Spaces) en un área geográfica ybandas de frecuencia determinadas. Se implementó una plataforma que se diseño usando las basesde datos de White Spaces proporcionadas por la ANE, que a su vez, fueron construidas con baseen entidades privadas que tiene información sobre estos espacios, como por ejemplo el proyectoWhite Spaces Colombia de la empresa Microsoft que goza de un sistema de información que permiteasignar los espacios blancos en las bandas de televisión en el territorio nacional. Estas bandasvacantes se pueden usar para dar servicio, por ejemplo, de internet rural, u otras tecnologías quepuedan hacer uso de estas bandas.

En este informe, se presentan los aspectos técnicos, algoritmos, interfases y resultados de laspruebas en el desarrollo del sistema de gestión de espectro, y el sistema de gestión de white spaces.

1. Descripción del proyecto

1.1 Descripción y Justificación del Proyecto

Actualmente, el tráfico de datos en forma inalámbrica continúa creciendo. Estadísticas a nivelmundial de 2015 muestran un crecimiento general de tráfico de datos del 74% durante el año, con563 millones de nuevos dispositivos móviles [1]. El 51% de trafico de datos fue en redes fijas a travésde WiFi o Femtoceldas, con descargas de aproximadamente 3.9 exabytes cada mes. Las velocidadesde conexión de dispositivos a redes celulares creció en el 2015 en un 20%. Se proyecta que para el2018 el incremento de tráfico de datos será de alrededor de un 66%, estando más de la mitad de estetrafico en redes 4G, de hecho, en el 2015 por primera vez a nivel mundial el tráfico 4G excedió al 3G[1]. Este fenómeno creciente de tráfico de datos ha obligado a la comunidad científica a desarrollarnuevas estrategias para poder satisfacer la demanda, en nuevos escenarios basados en redes que usanceldas de diferentes tamaños, distintas áreas de cobertura y coexistencia de diversas tecnologíasde acceso de radio; estándares de nueva generación como 4G, 5G o LTE-Advance ya están siendoimplementados y desarrollados y se han podido identificar los retos y tecnologías emergentes en elárea de las comunicaciones inalámbricas [2].

Por lo tanto, en los sistemas de radio de nueva generación que han de venir para los próximosdiez años (5G y más), el uso eficiente del espectro es una necesidad imperativa. Una de lasrecomendaciones a tener en cuenta mas usuales que dan los expertos es la necesidad de implementarnuevos paradigmas para el aprovechamiento del espectro radio eléctrico [3, 4]. Por esta razón,técnicas como la Radio Cognitiva, donde se busca aprovechar espacios espectrales vacantes, hansido foco de investigaciones y de desarrollo de nuevos estándares y recomendaciones por parte deasociaciones internacionales [5].

El espectro en frecuencia que usamos no siempre estará en la capacidad de responderle a todoslos usuarios sus demandas de ancho de banda con alta calidad y velocidad, y por lo tanto es necesarioaprovecharlo al máximo. Sin embargo, el fenómeno de masificación de datos de los servicios deacceso inalámbrico móvil que es característico hoy en día y tiende a aumentar de manera vertiginosava en contra vía con el uso del espectro concentrado en unas bandas de comunicaciones muy

10 Capítulo 1. Descripción del proyecto

específicas, principalmente en las bandas de telefonía móvil celular GSM, UMTS y LTE, las bandasde 850MHz, 900MHz, 1900 MHz, 2700MHz y las ISM. Gran parte de estas bandas espectrales seencuentran densamente usadas y contaminadas por interferencia, al contrario de algunas bandas deUHF, que son sub utilizadas y sub empleadas, aspectos que en la mayoría de casos perjudican el buendesempeño y explotación del espectro electromagnético [6] [7]. A este fenómeno lo denominaremos:Uso de espectro granular.

Los sistemas de asignación de espectro por parte de los entes reguladores, como por ejemplo elMinisterio TIC y la Autoridad Nacional de Televisión con el soporte técnico de la Agencia Nacionaldel Espectro en el caso colombiano, generalmente tienen un esquema de asignación estático, selicencia el uso de la frecuencia a un operador que explota a su criterio el uso de un rango defrecuencias, por el cual pagan un valor en contraprestación a dicho uso. Este esquema ha sido exitosohasta hace unas décadas, pero hoy en día la demanda de tráfico y la densidad de usuarios hacenevidente que estos esquemas deben cambiar. El desarrollo actual de asignación de espectro no puedeseguir de forma estática, es imperativo que los entes reguladores exploren técnicas y mecanismosviables para asignar de forma más eficiente y provechosa la asignación de espectro y el cobroen retribución por su uso. Este esquema actual de asignación caracterizado por la granularidad yconcentración de uso de unas bandas de radio y la falta de uso o sub utilización de otras bandas dana entender que los esquemas actuales y de los próximos años no van a ser efectivos ni pertinentes.

En este proyecto se desarrolló a nivel de prototipo un nuevo esquema de licenciamiento yasignación técnicamente viable y provechoso para las entidades de control y gestión del espectrodel país, con base en los avances en la última década en Radio Cognitiva. Creemos que el país debeprepararse para emitir recomendaciones y generar tecnología que permita la gestión del espectrode forma mas eficiente. Un sistema como el que se implementa en esta investigación, reorganiza laasignación espectral permitiendo que porciones del espectro que comúnmente permanecen vacantes,sean usadas por el usuario que más las necesite. Sin embargo para poder subastar el espectro sedebe antes diseñar una plataforma organizada, donde se defina claramente la operación de gestoresespectrales y radios configurables. Por esa razón se implementó un prototipo, donde se pudo evaluar ydefinir las ventajas, desventajas y retos para posteriormente poder implementar este tipo de sistemasdentro del pais.

Finalmente, este proyecto se justifica debido a su aporte al cumplimiento del objetivo estratégicodenominado Gestión del Conocimiento e Innovación que hace parte del plan de acción 2016 dela ANE. Este objetivo estratégico cuenta con un proyecto estratégico denominado Generación deconocimiento, el cual busca promover la innovación de temas relacionados con el ERE, mediante larealización de proyectos de investigación que contribuyan al cumplimiento de la misión institucionaly al desarrollo del pais. El desarrollo de un modelo de sensado espectral como el propuesto en esteproyecto, donde se aplican técnicas novedosas de procesamiento de señal que han tenido éxito enmuchas aplicaciones de telecomunicaciones y que han sido objeto de reconocidas publicacionescientíficas a nivel mundial; generará un gran impacto en la ANE, demostrando su liderazgo en lagestión del conocimiento en temas de espectro y la formación de expertos en materias relacionadascon el recurso y su administración.

1.2 Objetivos del Proyecto 11

1.2 Objetivos del Proyecto

1.2.1 Objetivo General

Elaborar bajo condiciones de laboratorio un prototipo de un sistema de gestión dinámica delespectro que determine los parámetros más óptimos para, asignar y determinar la contraprestaciónpor el uso del espectro de un usuario, en la banda de 3.3 a 3.7 GHz, y comprobar el desempeño de lossistemas de uso dinámico del espectro de las bandas de televisión en UHF bajo las consideracionesde los escenarios de redes de nueva generación.

1.2.2 Objetivos EspecíficosRealizar un modelo de canal inalámbrico a gran escala para la banda de 3.3 a 3.7 GHz quepermita establecer teóricamente su uso en servicios de redes de nueva generación.Diseñar un centro de fusión prototipo a nivel de software, capaz de realizar la gestión,asignación y negociación automática de recursos espectrales en la banda de 3.3 a 3.7 GHzpara redes autoconfigurables.Desarrollar un usuario de radio cognitivo que solicita recursos espectrales en la banda de 3.3 a3.7 GHz empleando plataformas de radios definidos por software a nivel de prototipo.Revisar las experiencias internacionales de gestión dinámica de usuarios mediante bases dedatos y adaptar una base de datos de uso dinámico del espectro para el uso de la AgenciaNacional del Espectro.Evaluar el desempeño del sistema de gestión bajo pruebas de laboratorio para establecerventajas, desventajas y las necesidades que tiene el ente regulador para implementar este tipode tecnologías a mediano y largo plazo.

1.3 Metodología

Se usó una metodología de procesos en donde se destacan las siguientes fases:

1.3.1 Fase I: Planeación y modelo de canal

Consiste en la recopilación bibliográfica y levantamiento de requerimientos iniciales. En estaetapa se definieron claramente las actividades y metas mensuales de cada integrante del equipo, suslugares de trabajo y los equipos a usar. Paralelamente se determinaron las bases conceptuales para eldiseño del sistema, mediante una revisión del estado del arte y el establecimiento de un modelo decanal a gran escala para la banda de 3.3 a 3.7 GHz con base en trabajos previos desarrollados por elgrupo de investigación y el estado del arte.

1.3.2 Fase II: Diseño

Corresponde al diseño de los elementos principales del sistema, el centro de fusión y elusuario cognitivo. En esta etapa se plantearon primero la historias de usuario de los sistemas,que corresponden a la identificación de usuarios y una descripción detallada de las acciones queellos realizan. Posteriormente se plantean las funciones correspondientes a cada una de las accionesidentificadas. Finalmente estas funciones se convierten en algoritmos. Por lo tanto, un producto claveen la etapa de diseño son los diagramas funcionales o diagramas de estados de los sistemas. De igualforma, en el sistema de Gestión de White Spaces, se hace un diseño de la arquitectura en el manejo


de información de la base de datos proporcionada, la plataforma, y de la interfaz con el usuario, yfinalmente se plantean las historias de usuario.

Cabe aclarar que el canal de comunicación entre el usuario cognitivo y el centro de sensado deespectro no fue diseñado, sino que la información fue compartida directamente entre los dispositivos,el motivo de esta decisión de diseño, es que este medio de comunicación (Physical Common SharedChannel) no se ha definido aún tanto en la revisión del estado del arte, y la complejidad de suimplementación es muy alta, lo cual demoraría el proyecto notablemente.

1.3.3 Fase III: Desarrollo

En el proceso de desarrollo se implementan los prototipos de los principales sub-sistemas:

El centro de fusión, que se desarrolló en un computador con características de servidorconectado a un radio X310 de la marca Ettus suminstrado por National Instruments.Los usuarios cognitivos, que se implementaron en radios N210.La plataforma de Gestión de White Spaces.

1.3.4 Fase IV: Pruebas de laboratorio

Las pruebas de laboratorio se elaboraron en tres sub fases:

Las pruebas de laboratorio del Sistema de Gestión para Asignación Automática de Espectro(SISGAAE), para medir ocupación espectral, eficiencia espectral y el comportamiento delsistema de gestión en la asignación automática del espectro. En estas pruebas se analiza eldesempeño de los algoritmos implementados en el usuario cognitivo y el centro de fusión.La elaboración de campañas de medida en el escenario definido para la banda de 3.3 a 3.7GHz, en un sitio de prueba. Estas mediciones son fundamentales para el modelado de canal ylos cálculos de propagación en la banda seleccionada.La tercera sub fase de las pruebas de laboratorio, corresponde a implementar, probar y evaluarel desempeño del sistema de información de las bases de datos del proyecto White SpacesColombia soportado por la empresa Microsoft, que goza de un sistema de información quepermite asignar los espacios blancos en las bandas de televisión en el territorio nacional alconsultar la disponibilidad y estado de las estaciones de televisión en una determinada regióndel territorio nacional, este sistema de asignación dinámica al espectro se usa el acceso y usodel espectro de usuarios de tecnologías licenciadas para dar cobertura de Internet rural, laspruebas se hicieron sobre las bases de datos, la forma y tipo de consulta a las bases de datos, yla escalabilidad y respuesta del sistema.

1.3.5 Fase V: Análisis de Resultados

Como fase final, se realizó el análisis de resultados y la elaboración de los informes finales.Estos resultados además se condensan en artículos científicos con los resultados mas destacadosdel proyecto, a ser sometidos a un evento o revista de acuerdo a las fechas de las convocatoriasdisponibles.

1.4 Resultados y Alcances 13

1.3.6 Metodología general de diseño y desarrolloPara la fase II y III, se estableció una metodología general de desarrollo. El primer paso es definir

historias de usuario, es decir, una análisis general de las acciones que se deben realizar, desde elmomento en que un usuario cognitivo solicita recursos espectrales, hasta el momento en que estosrecursos le son asignados.

Una vez se tienen definidas las historias de usuario, el diseño y desarrollo de cada una de lasentidades del SISGAAE sigue una metodología de tres pasos, como se muestra en la figura 1.1.

Figura 1.1: Metodología general del desarrollo del sistema

Primero, se definen formalmente las funciones de cada una de las entidades que permitanejecutar todas las acciones involucradas en las historias de usuario. El siguiente paso es desarrollarlos algoritmos correspondientes a cada función, y finalmente programar los equipos para hacerimplementación y pruebas de laboratorio.

1.4 Resultados y AlcancesComo resultado de este proyecto se entregan los siguientes productos:

Una plataforma de asignación de licencias y recursos de espectro basados en un centro defusión que toma las decisiones de uso del espectro bajo demanda y el conocimiento de lasbandas ocupadas y libres en una zona geográfica determinada y fija, la plataforma se entregacon su diseño, implementación y puesta en operación.Un diseño básico de un sistema de radio cognitivo que solicita recursos de radio de acuerdo asus necesidades y envía su información de sensado de espectro a un centro de fusión, ante elcual demanda recursos, necesidades y uso de una porción de espectro, el cual ocupa despuésde que el centro de fusión toma la decisión más adecuada.Un reporte que contiene las ventajas, desventajas y recomendaciones e implicaciones de usarun sistema automatizado de toma de decisiones de ocupación del espectro a la luz del enteregulador, para tener principios básicos sobre el desarrollo de nuevas metodologías para lasentidades reguladoras del acceso a los recursos de radio considerando los escenarios venideros.Una adaptación del sistema a la gestión espectral en las bandas de televisión en Colombia,usando las bases de datos aportadas por Microsoft a la ANE.

Es necesario aclarar que el desarrollo del prototipo se hizo en condiciones de laboratorio, de formabásica, aplicada en dispositivos reconfigurables y procesadores de alta capacidad. El sistema degestión se desarrolló en un centro de fusión que corre en un servidor central, el cual accesa lainformación desde un sistema de sensado de espectro. El proyecto no contempla proponer nuevos


esquemas de sensado de espectro, y se cuenta con un desarrollo local previo el cual será usado paraque el centro de fusión determine los recursos disponibles en un área de servicio. Las pruebas decampo se realizaron usando la banda de 3.3 a 3.7 GHz bajo los permisos y autorizaciones debidaspor parte de la ANE, sin agredir ni dañar el servicio de telefonía móvil de los usuarios.

2. Diseño general de los sistemas

En esta sección se explica el diseño general del sistema de gestión espectral SISGAAE y eldiseño del sistema de Gestión de la base de datos White Spaces soportado en una revisión del estadodel arte y las principales bases conceptuales sobre radio cognitiva y asignación dinámica de espectro.

2.1 Antecedentes y Bases conceptuales

2.1.1 Asignación espectral en Colombia y Retos

La asignación de espectro en Colombia es realizada por el Ministerio TIC con el soporte técnicode la ANE. El Ministerio TIC otorga los permisos y recibe los dineros por un procedimientode selección objetiva, y la Agencia Nacional del Espectro se encarga, entre otras funciones,del monitoreo, estudio técnico y aspectos de atribuciones del espectro electromagnético. De laexploración bibliográfica y los procesos de vigilancia sobre el tema, se ha encontrado que lasagencias a nivel local aún no tienen un esquema nuevo de asignación de espectro que haga frentea los nuevos escenarios de tráfico y calidad de servicio por parte de los usuarios de tecnologías deradio. En trabajos previos desde el ámbito académico se han explorado alterntativas para superar estetipo de problemas. Inicialmente se ha optado por una estrategia cuasi estática, en donde un reguladorotorga a los operadores de acceso un espectro electromagnético fijo bajo la figura de licencia, y losespacios en blanco que no son aprovechados se emplean para un acceso automático para reducir lagranularidad del uso del recurso de radio [8].

La otra tendencia en este tipo de esquemas son sistemas de asignación automática, donde haymuchas opciones y cada una de ellas conlleva sus ventajas y desventajas. Trabajos previos hablan deun acceso automatizado y reubicación de los recursos de los operadores y de los usuarios de radioen función de conservar una equidad de acceso al medio para mejorar la calidad del servicio. Estetipo de trabajos se concentran en los diseños de los algoritmos de asignación de recursos como en[9]. En cuanto al tema de definir el cobro por el acceso, hay iniciativas sobre el control automáticode subastas, en donde una entidad decide en tiempo real o en intervalos muy cortos de tiempo la

16 Capítulo 2. Diseño general de los sistemas

asignación de recursos a los operadores y la tarifa en función de ese uso. Para determinar el cobroque se debe hacer a los operadores, en [10] emplean esquemas de subastas dobles, y en [11] estudianlos procesos de licenciamiento a través de subastas en tiempo real.

En recientes publicaciones cuyo objetivo es mostrar los retos para los próximos años encomunicaciones inalámbricas y los futuros escenarios posibles, mencionan siempre la necesidad deabordar temas relacionados con la generación de nuevas tecnologías para la gestión espectral. En [3],se mencionan los siguiente escenarios base para implementar 5G:

Evolución de tecnologías para el acceso de radio.Decremento del tamaño de las celdas.Infraestructuras inalámbricas compuestas.Desarrollo de redes heterogéneas.Administración flexible del espectro.Comunicaciones dispositivo a dispositivo (Device-to-device communication) y M2M.Explotación del concepto: Cloud-RAN and Mobile Clouds.Redes basadas en software definido.Introducción de Inteligencia.

Note que la administración flexible del espectro (Flexible Spectrum Management) es un aspecto clavea ser tenido en cuenta. Es decir, en los próximos años se espera migrar de una administración rigidaa una flexible, y la flexibilidad tiene que ver con la posibilidad de asignar y re-asignar porciones aconveniencia. En [4] habla de los retos en comunicaciones inalámbricas que tendremos que enfrentarlos próximos 10 años, entre los cuales se encuentran:

Crecimiento masivo en el volumen del tráfico.Crecimiento masivo del número de dispositivos conectados con diversos requerimientos.Amplio rango de requerimientos y diversas características.Accesibilidad y Sostenibilidad.Nuevos rangos de frecuencia.Nuevas maneras de usar el espectro.Configuraciones de múltiples antenas.Desarrollos ultra-densos en redes (Femto y Pico celdas).Comunicaciones dispositivo a dispositivo (Device-to-device communication).

Note que se menciona de forma literal la necesidad de encontrar nuevas formas de usar elespectro, y de usar nuevos rangos de frecuencia.

Dado este panorama es necesario abordar problemas relacionados con evaluar el impacto quetiene la gestión automática del espectro y la estimación de parámetros espectrales en escenarios denueva generación, con el propósito de mejorar el desempeño de la red en términos de calidad delservicio al usuario final con una retribución justa por el uso del espectro empleado.

2.1.2 Radio Cognitiva

Un área de estudio muy relacionada con el aprovechamiento del espectro vacante es la RadioCognitiva (RC), la cual ha surgido en los últimos años como una innovadora alternativa para lograr

2.1 Antecedentes y Bases conceptuales 17

mayores niveles de adaptabilidad y así ofrecer un mejor servicio en redes inalámbricas, dado quela estrategia que era comúnmente utilizada, que consistía básicamente en reducir el tamaño de lasceldas para aprovechar el espectro, ya sobrepasó su límite de sostenibilidad. En RC se distinguencomúnmente dos tipos principales de usuarios a quienes se les debe ofrecer el servicio: Los usuarioslicenciados, y los usuarios cognitivos. A los usuarios licenciados también se les denomina usuariosprimarios, y a los usuarios no licenciados o cognitivos que aprovechan las porciones no usadas deespectro también se les denomina usuarios secundarios. [12]

Bajo esta técnica, se propone que el uso del espectro sea compartido, abriendo la posibilidad deque si un usuario licenciado o algún operador de servicios que use determinadas bandas espectralesno se encuentra usando el espectro que le fue asignado por licencia, entonces estos espacios vacantessub utilizados puedan ser ocupados por otros usuarios o dispositivos, (usuarios cogntivos), los cualesno cuentan con licencia para operar en estas bandas. La condición para su implementación es que siel usuario licenciado requiere del uso de estas bandas, inmediatamente el usuario cognitivo debedesocuparlas [5]. En este proyecto, dado que se trabajará en bandas ubicadas alrededor de 3.5 Ghz,la probabilidad de ocupación no es alta, sin embargo la radio cognitiva permitirá al sistema degestión coordinar todas la peticiones de los usuarios cognitivos, la distribución del ancho de bandadisponible, el manejo de los criterios de prioridad para la subasta y la reconfiguración de los radiospara la ocupación espectral.

Para que la radio cognitiva pueda ser implementada se deben desarrollar tecnologías quepermitan, en primera medida, sensar el espectro e identificar los espacios disponibles. Una vezcaracterizado el espectro, se deben desarrollar alternativas para repartirlo eficientemente, reubicarusuarios, garantizar calidad, garantizar poca interferencia, entre otros retos. Desde que en 1999 Mitolaformalmente definió esta técnica [13], se han desarrollado un número amplio de investigaciones,modelos matemáticos y algoritmos en busca de su implementación.

Investigaciones en RC demuestran que es una posible solución para poder cubrir la demandade cobertura, calidad y velocidad en la transferencia de datos y video que las estadísticas predicenpara los próximos años. Un ejemplo que ilustra la limitante es la existencia de una red 4G en un sitiodeterminado, lo que involucra la presencia de numerosas femtoceldas y picoceldas en el área, conmuchas estaciones base de poca potencia cubriendo usuarios adscritos o licenciados, que al tenermovilidad se transportan entre femtoceldas sin perder la conexión. Esto significa que el espectrousado por cada femtocelda es dinámico y constantemente quedan porciones desocupadas del espectro(huecos espectrales o bandas blancas) o hay zonas de alta interferencia o baja interferencia. ¿Nose deberían aprovechar los huecos espectrales y la zonas de baja interferencia para dar cobertura aotros usuarios que no estén necesariamente licenciados o adscritos al operador que administra lasfemtoceldas?.

La implementación de RC supone varios y diversos retos. De un lado, surgen los retos en cuantoa la administración del espectro, si la arquitectura es centralizada o distribuida, o garantizar que lacalidad de los usuarios primarios, representada en ancho de banda asignado y selección adecuada decanal, no se vea afectada por los usuarios secundarios y al mismo tiempo asignar ancho de bandasuficiente al usuario secundario para ofrecerle a él también velocidad y calidad.


El desarrollo en técnicas para radio cognitiva en los últimos años, hace pensar que esta puede serparte de la solución para poder cubrir la demanda de cobertura, calidad y velocidad en la transferenciade información que las estadísticas predicen para los próximos años. Las redes 4G y las futuras redes5G son basadas en la interacción entre picoceldas, femtoceldas, diversas tecnologías de acceso deradio, estaciones de baja potencia de transmisión, zonas de baja y alta interferencia, acceso desde lanube, redes definidas por software, en fin, una mezcla de tecnologías y arquitecturas donde habráuna alta dinámica de asignación espectral y la radio cognitiva se muestra como la solución ideal.[4, 14, 15].

2.1.3 El radio definido por software

Para que la RC sea posible, se deben conjugar una serie de tecnologías, con retos investigativosen cada una. Primero, es necesario el desarrollo de dispositivos inalámbricos con cierta inteligencia,cuya primera aproximación son los Radios Definidos por Software (Software Defined Radio - SDR),de tal forma que sean capaces de modificar su propia configuración en cuanto uso de espectro,modulación utilizada o potencia transmitida. Sin embargo esta posibilidad de auto-configuraciónes solo el principio de las exigencias a estos dispositivos en ambientes de próxima generación,pues se requerirá además manejo de información a alta velocidad, adaptabilidad al medio y al uso,comunicación directa con otros dispositivos, análisis de señales en tiempo real o desarrollo dealgoritmos de control, entre otras muchas capacidades.

Los dispositivos inalámbricos en ambientes cognitivos deben, en principio y como mínimo,poder conocer el estado del espectro y detectar huecos o espacios donde sea factible conectarse, y asímismo, detectar interferencias del espectro que estén usando para desocuparlo cuando sea necesario.El primer paso para lograr esto es el manejo de información del estado del canal (channel stateinformation - CSI), para lo cual se han desarrollado técnicas avanzadas de estimación de canal. En elsensado de espectro (Spectrum Sensing), la velocidad con que un dispositivo inalámbrico sense elespectro y pueda compartir esta información es crucial para garantizar la efectividad de la RC comoalternativa para mejorar la calidad de servicio.

2.1.4 El ciclo cognitivo y su aplicación en el sistema de gestión espectral

La figura 2.1 muestra el ciclo cognitivo básico, propuesto inicialmente por Mitola [13] en 1999 yadaptado de acuerdo a los avances tecnológicos en el área inalámbrica en los últimos 15 años.

Este ciclo se puede adaptar al contexto que se presenta en esta propuesta como se muestra en lafigura 2.2. Los dispositivos inalámbricos realizan el sensado del espectro y subsecuentemente usantécnicas de sensado espectral sobre la señal. El centro de fusion recobra y analiza la informaciónde la señal espectral, detecta porciones disponibles, selecciona el mejor canal disponible (spectrumdecision) y coordina el acceso a este canal con otros usuarios (spectrum sharing) [12]. La metaprincipal es lograr que los dispositivos inalámbricos dentro del área de cobertura seleccione el canalmas apropiado de acuerdo con su propio requerimiento de ancho de banda.


Figura 2.1: Ciclo Cognitivo Básico

Figura 2.2: Un posible ciclo cognitivo en una escenario de próxima generación

2.2 Diseño del Sistema de Gestión para Asignación Automática de Espectro(SISGAAE)

2.2.1 Escenario propuesto

El escenario propuesto consiste en un grupo de dispositivos inalámbricos tratando de acceder arecursos espectrales, donde algunos son usuarios licenciados y otros usuarios cognitivos, como semuestra en la figura 2.3. Los usuarios cognitivos tienen la capacidad de sensar el espectro desde supunto geográfico y auto-configurarse para transmitir en una banda de frecuencia dada, con un nivelde potencia determinado. Esto significa que estos usuarios pueden ser considerados radios definidospor software (SDR).

Los usuarios cognitivos solicitan recursos espectrales al centro de fusion. El centro de fusiónpodría ser en determinado caso uno de los usuarios cognitivos, es decir, un SDR con mayor capacidadde procesamiento. El centro de fusión define cuales bandas espectrales esta vacantes u ocupadas deacuerdo a la información espectral parcial que le envía cada usuario cognitivo. Por lo tanto se tratade un modelo centralizado y cooperativo.


Figura 2.3: Escenario Base

2.2.2 Modelo por capas del sistema

El sistema de gestión para asignación espectral propuesto en este proyecto se puede modelar porcapas, con el objetivo de facilitar y organizar el análisis del escenario propuesto.

Desde la perspectiva del usuario, que en este proyecto corresponde a SDR’s, la figura 2.4muestra dos procesos principales: Sensado del espectro (spectrum sensing) y ocupación del espectro(spectrum occupancy). Estos procesos pueden ser vistos como dos capas separadas donde la capasuperior, que se denominará capa de control de canales (control channel process) depende dela información enviada por la capa inferior, denominada capa de procesos espectrales (spectrumprocesses). El proceso de sensado del espectro (spectrum sensing) es un mecanismo que buscaencontrar porciones del espectro que no se están usando por medio del muestreo, mientras que elproceso de ocupación del espectro (spectrum occupancy) consiste en colocar al usuario cognitivoen la porción del espectro asignada. En el enlace de subida (uplink) el siguiente nivel recibe lainformación espectral enviada por el dispositivo inalámbrico cognitivo y la transporta hacia el centrode fusión que se encuentra en una estación base cognitiva o puede ser otro SDR; mientras que en elenlace de bajada (downlink), la información con las decisiones tomadas por el centro de fusión esrepartida a los dispositivos inalámbricos.

Desde la perspectiva del centro de fusión, la figura 2.5 muestra tres procesos principales: Procesode canal de control, proceso de análisis de datos y proceso de administración (Spectrum decisions- Spectrum Mobility). Estos procesos también pueden ser vistos como tres capas separadas. En elenlace de subida, la capa de análisis de datos recibe, decodifica y analiza los datos enviados por eldispositivo a través del canal de control (primera capa). Luego de este proceso, la tercera capa definela porción del espectro a ser asignada. En el enlace de bajada, la capa de análisis de datos almacenala información recibida por la capa superior en tablas de mapeo y luego envía la información a losusuarios cognitivos a través del canal de control.


Figura 2.4: Capas desde la perspectiva del usuario

Figura 2.5: Capas desde la perspectiva del Centro de Fusión

2.2.3 Arquitectura General

El Sistema de Gestión para Asignación Automática de Espectro (SISGAAE) a desarrollar en esteproyecto, se compone de dos partes fundamentales: El Centro de Fusión y los Usuarios Cognitivos.Se implementó gestión dinámica del espectro, donde los usuarios cognitivos solicitan recursosespectrales en la banda de 3.3 a 3.7 GHz al Centro de Fusión, y éste por su parte coordina laasignación.

La figura 2.6 muestra los componentes principales del sistema SISGAAE.

Figura 2.6: Componentes Principales del sistema SISGAAE


2.3 Algoritmo general de operaciónPara desarrollar el modelo mostrado, la figura 2.7 muestra k dispositivos inalámbricos cognitivos

que requieren servicio ubicados en un área geográfica. Note que un usuario nuevo que no se le haasignado banda de frecuencia para transmitir, entra a solicitar el servicio. Este usuario le envía unrequerimiento al centro de fusión, el cual decide cuales bandas de frecuencia están libres luego deanalizar la información espectral que recibe de los demás usuarios cognitivos del sistema.

Figura 2.7: Area geográfica con dispositivos inalámbricos

Por lo tanto se trata de un modelo cooperativo, ya que si hay k dispositivos inalámbricoscognitivos, cada uno enviará información espectral correspondiente a su posición. El centro defusión decidirá a que usuarios solicitarles información espectral y con base en la información detodos definirá que banda espectral asignar. Suponga que en cierto instante todos los usuarios estántransmitiendo a determinada potencia, en alguna banda de frecuencia previamente asignada, con Lposibles slots de frecuencia. Un usuario nuevo entra a solicitar recursos.

El siguiente algoritmo corresponde a las funciones generales que debe implementar el sistema.

1. Entrada: Hay k SDR’s activos en el área. Hay j usuarios licenciados.2. Entrada: Hay L Bandas espectrales para transmitir. Hay M ×N posiciones geográficas

establecidas para ubicar SDR’s.3. Entrada: Un SDRnuevo requiere servicio.4. El SDRnuevo envía petición al centro de fusión (CF) a través de un canal de control común

CCC.5. El SDRnuevo envía petición al centro de fusión (CF) a través de un canal de control común

CCC.6. El CF solicita las muestras de potencia al SDRnuevo y sus datos de ubicación geográfica.7. El SDRnuevo realiza sensado espectral a diferentes bandas en un radio r de cobertura.8. El SDRnuevo envía muestras espectrales de potencia y datos de ubicación al CF a través del

CCC9. El CF solicita las muestras de potencia al SDRnuevo y sus datos de ubicación geográfica.

2.4 Historias de Usuario 23

10. Para: i← 1, I11. El CF solicita muestras de potencia espectral al SDRi

12. El SDRi envía muestras espectrales de potencia y datos de ubicación al CF a través delCCC

13. Fin para14. El CF construye con base en las muestras tomadas una matriz A.15. El CF busca con base en la matriz de datos tomada el espacio espectral libre mas apropiado

para asignar al SDRnuevo y re-asignar si es necesario nuevos espacios espectrales a los otrosSDR activos.

16. El CF le envía la información de asignación al SDRnuevo y a los otros SDR a través del CCC17. El SDRnuevo y los otros SDR se re-configuran para transmitir en la banda seleccionada.18. k← k+1

2.4 Historias de Usuario

El concepto de Historias de Usuario se relaciona con la descripción detallada de las funciones,acciones y operaciones de los componentes del sistema. Los tres componentes del sistema SISGAAE(SDR’s - Servidor - SB’s) están inter-relacionados y cumplen una función específica en la ruta ohistoria de un usuario del sistema. Por ejemplo, en la figura 2.8, se muestra una sencilla historia deusuario asociada con el registro de un nuevo usuario cuando ingresa al sistema.

Figura 2.8: Historia de Usuario: Registro en el Sistema

Note en la figura 2.8 que hay dos componentes involucrados en la operación de registro: elSDR y el Servidor (Ver en la figura 2.6 los dibujos asociados a cada componente). La solicitud deregistro comienza con una comunicación uno a uno denominada genéricamente Request Publisher(REQ-PUB), donde se hace una publicación individual del mensaje. En la operación de registro deusuario, el SDR envía un REQ-PUB al servidor haciendo la solicitud formal de registro, y el servidorle confirma la aceptación o rechazo de la solicitud. De forma general, en las historias de usuario quese presentarán en este informe, se definen dos tipos de vías de comunicación: REQ-PUB y SUB-PUB.Subscriber Publisher (SUB-PUB) se refiere, en contraste con REQ-PUB, a una comunicación uno avarios; es una comunicación tipo broadcast, donde el servidor del sistema se comunica con todos losSDR’s activos.


Una vez un usuario se encuentra registrado en el sistema, una de las operaciones mas importanteses cuando dicho usuario hace una solicitud de canal para establecer una comunicación. Esta operaciónes mas compleja e involucra la mayoría de funciones y operaciones definidas para cada componentedel sistema. En la figura 2.9 se muestra la historia de usuario para la operación de solicitud de canal.

Figura 2.9: Historia de Usuario: Solicitud de Canal

Usando la figura 2.9 se puede hacer seguimiento de forma clara al proceso de solicitud yasignación de canal a un SDR (Usuario Cognitivo). Primero el SDR solicita canal al Servidor, el cualle hace un acuse de recibo. El servidor entonces solicita al SB el respectivo canal, y el SB entoncessolicita al servidor los resultados actualizados de monitoreo espectral de los SDR’s activos. Recuerdeque el SB hace asignación de canal con base en las medidas tomadas por todos los SDR’s. Por lotanto, el Servidor le solicita, en forma de broadcast, a todos los SDR’s activos que realicen sensadoespectral y que envíen sus datos monitoreados de vuelta al Servidor. El servidor envía todos estosdatos al SB y el SB ya puede entonces ejecutar su algoritmo de asignación. Una vez a distribuido loscanales de forma apropiada, teniendo en cuenta el nuevo requerimiento, el SB envía la informaciónde asignación al servidor, el cual envía esta información a cada SDR, para que se auto-configurentodos a su nuevo canal inalámbrico de comunicaciones.

Vale la pena resaltar algunos aspectos importantes:

Los dos principales algoritmos del sistema son: El algoritmo de sensado a cargo de los SDR’s,y el algoritmo de asignación a cargo del SB.Siempre que un SDR solicita canal, el centro de fusión solicita muestras de sensado espectrala varios SDR’s. En el diseño del motor cognitivo del SB se definirá el criterio de selección deestos SDR’s. En principio, se hará la prueba con todos.Cuando el Centro de Fusión define el canal a ser asignado al SDR nuevo que lo solicita, puederealizar una re-asignación de canales a todos los demas SDR’s activos. En el diseño de motor

2.5 Resumen de las especificaciones técnicas del SISGAAE 25

cognitivo del SB se definirá el criterio para esta re-asignación, buscando un funcionamientoóptimo del sistema.

2.5 Resumen de las especificaciones técnicas del SISGAAEA continuación se presenta un cuadro que resumen las especificaciones técnicas del sistema. Se

debe tener en cuenta que es un prototipo, y a futuro puede ser escalable.

Cuadro 2.1: Especificaciones Técnicas Generales del SISGAAECaracterística Descripción

1. Nombre Sistema de Gestión para Asignación Automática deEspectro.

2. Sigla SISGAAE.3. Bloques del sistema Usuario Cognitivo, Servidor, Spectrum Broker.4. Frecuencia de Operación 3.3 a 3.7 GHz.5. Función Asignar y determinar, en forma dinámica, la

contraprestación por el uso del espectro de usuarioscognitivos, en la banda de 3.3 a 3.7 GHz.

6. Tecnología base Radio Cognitiva - Asignación dinámica de espectro.7. Arquitectura Centralizada y cooperativa.8. Equipo usado como Usuario Cognitivo Radio USRP B200 mini.9. Equipo usado como Spectrum Broker Radio USRP X310.10. Modelo de canal base Log-Normal Shadowing Path Loss Model.11. Ajuste de modelo de canal 1. Usando medidas obtenidas por Marcus C. Walder [16].

2. Con base en campañas de medidas, campus UPB.12. Capacidad de Usuarios Cognitivos 20 registrados.13. Capacidad de Spectrum Brokers 5 registrados.14. Tecnología de sensado espectral Detección de Energía.15. Asignación de canal Algoritmo de Asignación por prioridad de usuario con

mínimo número de canales libres con re-asignacióngeneral (Ver sección 2).

2.6 Diseño del sistema de Gestión de White Spaces Colombia2.6.1 Descripción general del sistema

WhiteSpaces Colombia ANE/UPB, es una aplicación que permite administrar la distribuciónde los dispositivos que irradian en el espacio blanco. Para esto, se utiliza una API (AplicationProgramming Interface – Aplicación de Interfaz de Programación) de mapa de Bing Maps, yherramientas de búsqueda de base de datos que facilitan la correcta ubicación del dispositivo.Además, se utilizan representaciones gráficas de los contornos o áreas de cobertura en dóndemuestra si la señal se encuentra ocupada y dentro de sus funcionalidades, se visualizan dichas áreasdependiendo del canal seleccionado, esto con el objetivo de indicarle al usuario en dónde puedeubicar su dispositivo.

Luego, el usuario ingresa los datos de potencia de transmisión, sensibilidad del par, canal detransmisión y altura para que se realice el cálculo del radio de propagación, y con este radio se


comprueba si existe o no una intersección con cada uno de los contornos y dispositivos que seencuentran ocupados en dicho canal; esto quiere decir, si existe intersección entre las áreas decobertura, el usuario no puede registrar su dispositivo con ese radio en esa ubicación. Dentro delproceso de registro de usuario, el usuario no puede registrar dispositivos hasta que no se encuentreautorizado por un administrador de la aplicación y bajo sujeta aprobación de licenciamiento porparte de MinTIC y la ANE.

Cuando el usuario registra un dispositivo, éste queda en estado pendiente para poder operaren ese radio de propagación y en dicha ubicación, para luego cambiar su estado a disponiblecuando el administrador aprueba la operación de ese dispositivo en esa ubicación. Dentro de lasfuncionalidades de dicha aplicación, para el cálculo de la facturación, dicha aplicación realiza loscálculos matemáticos estandarizados por MinTIC, según decreto 2877 de 2013, a partir de que eldispositivo se encuentra habilitado para irradiar en ese espacio blanco.

2.6.2 Arquitectura del sistemaLa arquitectura del sistema de WhiteSpaces ANE/UPB se muestra como un modelo simple de

integración de una base de datos en SQL Server, junto con una interfaz de programación basadaen los lenguajes ASP.NET, C# y JavaScript, teniendo en cuenta que la aplicación trabaja con unaAPI de Bing Maps que permite realizar el cálculo de distancias y la geolocalización de las diversasestaciones y bandas de frecuencia a utilizar por parte del usuario.

En el front-end de la aplicación, el usuario podrá visualizar Bing Maps a modo de una plataformaweb, en el cual podrá realizar las diversas acciones determinadas para cada tipo de usuario. En elback-end de la aplicación, se ubica un servidor tipo Windows, integrando una base de datos SQLServer que almacena toda la información relacionada con usuarios, ubicaciones, contornos y datosgeográficos actualizados bajo el Sistema Geodésico Mundial (WGS84), sistema que referenciacoordenadas bajo un sistema de posicionamiento global (GPS).

2.6.3 Diseño preliminarCon respecto al desarrollo de la plataforma para el proyecto White Spaces Colombia, que permite

usar los white spaces de los canales asignados para televisión local para otras aplicaciones, el diseñopreliminar se basa en los siguientes aspectos:

Se definieron los requerimientos iniciales en Software para la ejecución de la aplicación adiseñar.Instalación de SQL Server y de Visual Studio para iniciar el desarrollo de la interfaz delsoftware y el desarrollo de la base de datos con la cual se trabajará este proyecto.Planteamiento inicial del Modelo Entidad Relación para la aplicación.Planteamiento inicial de los diseños de Interfaces para la aplicación.Se realizó un análisis de la aplicación WhiteSpaces Colombia, tomándola como referenciapara el diseño de la nueva aplicación.Análisis de las diferentes API’s de mapas web, con el propósito de diseñar y construir unprototipo funcional de la aplicación en Visual Studio.Enlace de SQL Server con Visual Studio en términos de conexión y consultas a la Base deDatos como datos geográficos o geométricos.

2.6 Diseño del sistema de Gestión de White Spaces Colombia 27

Posteriormente se definió la arquitectura del sistema, mostrada en la figura 2.10.

Figura 2.10: Arquitectura del sistema White Spaces

El análisis de la aplicación de WhiteSpaces Colombia, dio como resultado el levantamientode las posibles tablas a crear en el Modelo Entidad Relación a través del sitio web Cacoo, comopunto de partida para empezar a diagramar la futura base de datos para la aplicación. En el anexo 2se muestra como quedo finalmente esta diagramación. Se discutieron aspectos como el número decanales que podrían ser asignados por antena, el manejo de la facturación por parte de la aplicación,la gestión de canales y los procesos de verificación de disponibilidad y de asignación, y el manejodel tiempo de los usuarios que utilizarán sus dispositivos al momento de ser facturado por parte de laANE.

Posteriormente se definieron los requerimientos en cuanto a usuarios (usuarios administradores,primarios y secundarios) para poder determinar el nivel de acceso que debe tener la aplicación, aligual que el diseño de un prototipo funcional de la aplicación utilizando API’s de mapas existentes(Google Maps, Bing Maps, OpenStreetMap) para poder diagramar los segmentos de contornosalrededor de una antena, con el propósito de que estos pudieran ser almacenados en la Base de DatosSQL Server, y así, determinar el modo de acceso que tendría cada usuario.

Según el trabajo con respecto al uso de API’s para la aplicación propuesta a la ANE, se concluyólo siguiente:

GMaps - tiene costo después de cierto número de visualizaciones, se requiere un plugin queno se ha actualizado desde el 2013 para ser usado con C# y este también tiene un costo, no estan completo como el de mapa de Bing Maps, es más accesible en términos económicos queBing, y se puede trabajar con JavaScript y PHP.


OpenStreetMap, funciona con un sistema de tiles, los tiles hay que comprarlos (se desconoce elprecio de cada uno), los plugins y librerías encontrados para OpenStreetMap estaban diseñadospara aplicaciones de escritorio y Windows Form.Bing Es nativo de Windows y tiene una mejor compatibilidad con los productos de desarrollode Microsoft, ofrece opciones más completas para el manejo de rutas, polígonos, mapas decalor, etc., el precio de la licencia se desconoce, habría que negociar con la plataforma dedesarrollo, dado que la plataforma que se pretende replicar utiliza Bing, así que es probable queincluso tengan una licencia de Api Key, la cual debe ser comprada para el diseño y desarrollofinal de la aplicación.

Se concluyó que la base de datos debe ser ajustada en ciertos campos, tomando en cuenta laAPI que se va a utilizar, al igual que se debe explorar el manejo de acciones en relación con lainformación contenida en la base de datos en términos de datos geográficos y/o geométricos, dadoque se definió trabajar con una API Live (directo en la web), y no con un mapa plano ya registradoen BD. Además, se pudo conseguir el libro requerido para este trabajo Beginning Spatial with SQLServer 2008, con el propósito de comprender la sintaxis espacial de SQL Server y cómo integrarlo alos lenguajes .NET.

2.6.4 Historias de Usuario

En el caso del sistema White Spaces, se definieron cuatro roles básicos: Usuario Anónimo,Usuario Registrado, Usuario Licenciado y Administrador. Para cada rol existen diversas historias deusuario basadas en alguna acción asignada al respectivo rol, es decir, por cada acción principal sediseñó una historia de usuario. A continuación se describen.

Historias de usuario - Rol: Usuario Anónimo.

Historia de Usuario:Acción: Consultar canales disponibles.Razón: Rentar canal para transmisión de telecomunicaciones.Acción a realizar: Realizar consulta en la Base de Datos sobre los canales disponibles, yverificar la amplitud de cobertura que maneja dicho canal. Luego, mostrar en pantalla loscanales que se encuentran disponibles, ocupados o no disponibles.Importancia: Alta.Tipo de acción: Consulta-Reporte.

Historias de usuario - Rol: Usuario Registrado.

Historia de Usuario 1:Acción: Verificar disponibilidad de Antenas-CanalesRazón: Elegir Antena-canal a utilizar para transmisión de telecomunicacionesAcción a realizar: Realizar consulta en la Base de Datos sobre los canales y antenas disponibles,verificar amplitud de cobertura y dispositivos que puedan encontrarse utilizando un canaldeterminado. Luego, mostrar la cobertura de antenas y canales, junto con su informaciónrelevante.Importancia: Alta.Tipo de acción: Consulta-Reporte visita.


Historia de Usuario 2:Acción: Registro en el Sistema de Gestión del Espectro ANERazón: Seleccionar las ubicaciones y canales para uso de Espacio Blanco.Acción a realizar: Ingresar al formulario de registro, donde el usuario debe obtener de formaprevia, licenciamiento por parte de la ANE y MinTIC para poder instalar su(s) dispositivo(s)en la(s) ubicación (es) que lo desee y transmitir en Espacio BlancoImportancia: Media.Tipo de acción: Registro

Historia de Usuario 3:Acción: Inscripción-Eliminación de Dispositivos para TransmisiónRazón: El usuario está en la capacidad de registrar o remover los dispositivos a ser usadospara realizar la transmisión deseada en su frecuencia y ubicación seleccionadas.Acción a realizar: A través de la sesión de usuario, se puede realizar la habilitación oinhabilitación de dispositivo(s) por parte del usuario, para que pueda seleccionar el (los)dispositivo(s) que desea utilizar en su frecuencia.Importancia: Media.Tipo de acción: Gestión de Datos-Operativa.

Historia de Usuario 4:Acción: Transmisión de información.Razón: El usuario, bajo previa autorización de licencia por parte de la ANE y MINTIC, está enla capacidad de utilizar su(s) dispositivo(s) para poder realizar transmisión de la informaciónen la ubicación y frecuencia seleccionadas.Acción a realizar: El usuario establece un protocolo previamente programado donde envía unasolicitud con la información de su posición geográfica, junto con el ancho de banda (espacioblanco) que desea utilizar. Luego, el servidor almacena la información del usuario en una listainterna como usuario activo y el servidor se encarga de ejecutar un algoritmo de asignación deespacio blanco, para que de esa manera, se le asigne al usuario de acuerdo a la ubicación, alespacio blanco seleccionado y a la frecuencia de la cual desea transmitir.Importancia: Alta.Tipo de acción: Operacional.

Historia de Usuario 5:Acción: Consultar áreas de cobertura (contornos) de espacio blancoRazón: El usuario, bajo previa autorización de licencia por parte de la ANE y MINTIC, estáen la capacidad de consultar las áreas de cobertura y las ubicaciones de las antenas, paraestablecer su(s) dispositivo(s).Acción a realizar: El usuario ingresa con sus credenciales, y tiene la posibilidad de acceder atodos los contornos y ubicaciones de antenas, en su totalidad, además de poder consultar yvisualizar la disponibilidad de bandas de frecuencia (canales).Importancia: Alta.Tipo de acción: Consulta.

Historia de Usuario 6:Acción: Registro de Dispositivos en el Sistema de Gestión del Espectro.


Razón: El usuario, bajo previa autorización de licencia por parte de la ANE y MINTIC, estáen la capacidad de registrar su(s) dispositivo(s), y poder ubicarlos en la(s) área(s) de espacioblanco que estén disponibles para transmitir.Acción a realizar: El usuario ingresa con sus credenciales, y tiene la posibilidad de ingresar yactualizar la información de su(s) dispositivo(s) de espacio blanco, en términos de la frecuencia,la marca, modelo, serial, y canal en el cual va a operar con dicho dispositivo(s).Importancia: Media.Tipo de acción: Operacional.

Historias de usuario - Rol: Usuario Licenciado.

Historia de Usuario:Acción: Facturación del tiempo de uso de antenas-canalesRazón: Pago del servicio a la ANE por parte del Usuario por su uso en la transmisión de señalde internet-radio-televisión.Acción a realizar: La Base de datos realiza el cálculo del tiempo utilizado de un canal, tomandocomo referencia una ecuación determinada por la ANE para calcular el valor total a pagar ygenerar una factura al usuario para que la pague ante MINTIC por el uso de este servicio.Importancia: Alta.Tipo de acción: Pago-Consulta.

Historias de usuario - Rol: Administrador.

Historia de Usuario 1:Acción: Generación de Reportes Generales-EspecíficosRazón: Análisis de incidentes por Interferencia, Porcentaje de Eficiencia de OcupaciónEspectral, Reportes de Facturación por períodos de tiempo, Reportes de Interferencia.Acción a realizar: Habilitar una opción en el aplicativo para realizar las consultas necesariasen la BD, y obtener esta información para ser mostrada de manera organizada con reportepersonalizado desde MSSQL Reporting Services.Importancia: Alta.Tipo de acción: Reporte - Vista.

Historia de Usuario 2:Acción: Gestión de estaciones de TV-antenasRazón: Manejo de privilegios con base al tipo de usuario para la inserción, edición yeliminación de antenas para la amplitud de coberturas en las distintas zonas territoriales,tomando en cuenta sus características.Acción a realizar:Actualización de la Base de Datos mediante consultas directas hacia lastablas Antenas y Ubicación, con respectivos datos provenientes de la ANE.Importancia: Alta.Tipo de acción: Gestión de Datos.

Historia de Usuario 3:Acción: Modificación de Ubicaciones en la Base de Datos.Razón: Mantener las ubicaciones de dispositivos fijos, portables y micrófonos inalámbricosactualizadas para el uso de las estaciones/antenas, por parte de los usuarios.


Acción a realizar: Solicitar datos a la ANE con respecto a las ubicaciones actualizadas, yrealizar las actualizaciones directas en la Base de Datos.Importancia: Media.Tipo de acción: Gestión de Datos.

Historia de Usuario 4:Acción: Carga de Nuevos Contornos en la Base de DatosRazón: Ampliar la cobertura de canales disponibles, para mostrar la disponibilidad paradifusión o irradiación de canales permitidos.Acción a realizar: Realizar actualizaciones en la Base de Datos, tomando como referencia lasubicaciones predeterminadas por la ANE, junto con sus coberturas expresadas en coordenadascartesianas, para luego ingresarse a la Base de Datos.Importancia: Media.Tipo de acción: Gestión de Datos.

Historia de Usuario 5:Acción: Tarificación del Servicio de Transmisión.Razón: Modificar la ecuación predefinida para calcular el valor total que debe pagar un usuariopor el servicio de transmitir desde una frecuencia específica, utilizando su propio dispositivo ydesde un área determinada, para que pueda realizar el pago de su factura.Acción a realizar: Efectuar la actualización en los parámetros de la ecuación tarifaria, tomandocomo referencia el área de cobertura seleccionada, la frecuencia utilizada y el tiempo de uso.Importancia: Media.Tipo de acción: Pago - Gestión de Datos.

3. Modelo de Canal

3.1 Propagación en la banda de 3.5 GHz: Modelo TeóricoEn el diseño y operación del sistema de gestión para asignación automática de espectro propuesto

en este proyecto, es necesario hacer uso de un modelo de propagación base para la banda de 3.5GHz para predecir las pérdidas de potencia de los usuarios y hacer asignación espectral a usuarioscognitivos sin causar interferencia con otros usuarios en operación.

A medida que los sistemas de acceso inalámbricos se han desarrollado, también lo hicieron losmodelos de predicción de pérdidas de potencia, pasándose así de modelos estadísticos a modelossemideterministicos y deterministicos, esto es, modelos que además de considerar los resultadosobtenidos de las campañas de mediciones se complementan con modelos teóricos. La señal recibidaen los sistemas inalámbricos es afectada por las pérdidas de espacio libre, por multitrayectorias ypor las obstrucciones existentes entre transmisor y receptor.

Un modelo de propagación es una representación simplificada del fenómeno de propagación deondas de radiofrecuencia en redes inalámbricas. Los modelos conocidos en la literatura son aquellosbasados en un estudio elaborado que considera un levantamiento de perfil, aplicando modelos talescomo propagación en espacio libre, modelo de dos rayos, obstrucción y la aplicación de los anillosde Fresnel, Longley-Rice y Durkin, todos los cuales son muy buenos para la evaluación de enlacesfijos, pero que requieren de recursos de tiempo, conocimiento e infraestructura considerables. Otrosmodelos, que se aplican a comunicaciones móviles son Okumura, Okumura-Hata, Walfisch-Bertoni,los que permiten una predicción razonable con un grado de complejidad de cálculo que van de losimple a lo más complejo, basados en medidas experimentales o características físicas de los enlaces.

Una primera aproximación para generar una modelo de propagación para la banda de 3.5 GHzes utilizar el modelo de propagación en espacio libre:

L(d) = L f (d0)+10n log10(dd0

), (3.1)

3.2 Diseño y desarrollo de la campaña de medidas 33

Donde L f es una potencia de referencia a la distancia d0 que normalmente equivale a 1 metro,y el logaritmo modela las pérdidas de dicha potencia a una distancia d. Note que el modelo delespacio libre predice que la potencia recibida decae en función de la distancia de separación entre eltransmisor y receptor elevada a alguna potencia. El hecho de que exista una potencia de referencia,y el factor n, permite no tener en cuenta en la ecuación las variables normalmente asociadas a laspérdidas de potencia en señales inalámbricas; variables como las ganancias de las antenas o lafrecuencia. La ecuación 3.1 puede ser usada en casos empíricos, donde con base en unas medidastomadas se calcula el factor n, el cual tiene en cuenta el efecto del medio ambiente en las pérdidas.

Ante la presencia de obstáculos, además de variar el valor de n, este modelo incluye una variablealeatoria Xσ que representa el grado de desvanecimiento de nivel de potencia (shadow fanding)presente en el medio ambiente en dB, como se muestra en la ecuación 3.2.

L(d) = L f (d0)+10n log10(dd0

)+Xσ . (3.2)

El modelo mostrado en la ecuación 3.2 también se conoce como el modelo Log-NormalShadowing Path Loss Model, donde Xσ es un proceso aleatorio atribuido a la refracción llamadoshadowing o desvanecimiento por sombra, el cual se modela mediante una variable aleatorialognormal, teniendo en cuenta que las pérdidas en un enlace siguen una distribución normal de mediaµ y desviación típica σ . Estas variables aleatorias se pueden determinar de forma experimental concampañas de medida, lo cual es una opción para el presente proyecto.

Sin embargo existe un referente importante de medidas empíricas a la banda de 3.5 GHz. En[16] Walden muestra resultados de extensas campañas de medidas a esta frecuencia realizadas enambientes urbanos en el Reino Unido y el posterior cálculo de las variables asociadas al modeloLog-Normal Shadowing Path Loss Model. Una vez realizadas las medidas se usa una aproximaciónde mínimos cuadrados para formalizar el modelo. Se obtienen resultados de 100 m a 2.2 Km. Waldenmostró como en sus medidas la variable aleatoria podia ser considerada estadísticamente comolog-normal, con desviación estandar σ y obtuvo los siguientes resultados

d0−promedio = 73m. npromedio = 4,3. σpromedio = 7,5dB (L f (d0))promedio = 80,6dB.

(3.3)

Los resultados de Walden son una buena opción para que el centro de fusión y los SDR’s realicencálculos de propagación si los algoritmos de sensado o asignación así lo requieren.

3.2 Diseño y desarrollo de la campaña de medidasEl diseño de la campaña de medidas contempla los siguientes pasos:

1. Selección del área a intervenir.2. Selección de equipos de medida.3. Selección de coordenadas geográficas.4. Realización de la campaña.5. Procesamiento de los datos recolectados.

34 Capítulo 3. Modelo de Canal

6. Ajuste de curvas y cálculo de variables asociadas al modelo de canal.7. Comparación con valores teóricos.8. Formulación definitiva del modelo.

En el proceso de la selección de equipos, se decidió usar un VNA, antenas de 2,6 GHz, losSDR’s y un amplificador de 24dB, como se muestra en la figura 3.1.

Figura 3.1: Equipos usados en la campaña de medidas

La campaña de medidas se desarrollo en el campus UPB, con una grilla de medida de 10 x 14puntos espaciales, con un espaciamiento de 7.5 metros, tomando 100 medidas locales por cada punto,en la banda de 3.1 a 3.7 GHz con pasos de 50 MHz.

3.3 Configuración de las medidas

Las medidas fueron obtenidas en una campaña de campo abierto empleando una técnica deespaciamiento uniforme mediante medidas espaciales y locales, las medidas locales se realizan 100veces por cada punto en la misma frecuencia, y las medidas espaciales se llevaron a cabo con unaseparación mínima de 7.5 metros entre ellas. El experimento consistía en ubicar un transmisor de untono estable a una potencia fija con una posición conocida y georeferenciada, y realizar las medidasde intensidad de señal en cada uno de los puntos escogidos para la prueba, los cuales también sonconocidos y están georeferenciados, a partir de los parámetros del presupuesto de enlace, se deduceel valor de las péridas por propagación, y con dicha información se deduce el modelo de propagaciónen función de la frecuencia y la distancia.

Los equipos empleados en la medida son un analizador de redes vectorial (VNA - Vector NetworkAnalyzer) modelo N9914A de Agilent Technologies, el cual se ha usado para medir la intensidad deseñal de prueba. En la configuración del esperimento, se emplearon dos atenas Logperiódicas de7 dBi de ganancia cada una para trabajar en las bandas de operación de 3GHz a 4 GHz medianteadaptadores N a sma jack plug de forma directa sin usar cables. En el punto de transmisión se empleaun amplificador WENTEQ ABL0600-01-2740 de 24 dB de ganancia lineal con un consumo depotencia hasta de 12W, el amplificador se conecta directamente a la antena de transmisión usando unadaptador SMA JACK macho macho y la entrada del amplificador está conectada directamente a

3.4 Propagación en la banda de 3.5 GHz: Modelo experimental 35

un transmisor de radio B200mini de marca Ettus con una potencia de transmisón de 10dBm, en eltransmisor se emite un tono constante a una frecuencia de 10KHz.

3.4 Propagación en la banda de 3.5 GHz: Modelo experimentalDe las estadísticas de gran escala, se deriva el modelo de path loss, para ello se supone que

el modelo de path loss de acuerdo con [17], el modelo de path loss empleado corresponde a unmodelo simple de pendiente simple dependiente de la distancia, la defición del modelo de path lossse expresa en la ecuación 3.4 como:

Pl(d) = Gd0 +10η log10(d/d0)+S (3.4)

Donde la Pl(d) pérdida en dB debido a la propagación depende de un nivel de pérdida dereferencia Gd0 , que corresponde a la pérdida promedio a una distancia d0 que ha sido determinada a9m, un índice η que corresponde al índice de propagación dependiendo del entorno a una distanciad. El parámetro S corresponde a la varianza del shadowing, que sigue una distribución normal conmedia cero.

3.5 Deducción del modeloEl modelo aplicado a los datos obtenidos, se tabularon en un programa de regresión numérica

lineal al considerar todas las medidas, en la gráfica 3.2:

Figura 3.2: Aproximación de pérdidas de propagación

Al aplicar el algorimto de regresión lineal, se obtienen los valores numéricos del índice depropagación y del nivel de pérdida por defecto para la banda de operación, de donde se pude deducirque:

36 Capítulo 3. Modelo de Canal

Parámetro Valorη 2.2

Gd0 28 dB

Cuadro 3.1: Parámetros deducidos

Por lo tanto el modelo de propagación deducido para la banda de operación es el descrito en laecuación 3.5, sin tener en cuenta los efectos del shadowing.

Pl(d) = 28+22log10(d/9) (3.5)

4. Diseño y Desarrollo del Usuario Cognitivo

Los usuarios cognitivos son implementados en radios definidos por software (Software DefinedRadio - SDR), los cuales son capaces de modificar su propia configuración en cuanto uso de espectro,modulación utilizada o potencia transmitida. Además, se aprovecha su capacidad de poder conocer elestado del espectro y detectar huecos o espacios donde sea factible conectarse, y así mismo, detectarinterferencias del espectro que estén usando para desocuparlo cuando sea necesario.

La RC por definición supone que los dispositivos inalámbricos deben ser capaces de determinarcuáles porciones del espectro están libres, y en caso de que ya estén ocupando una porción, determinarel momento en que el usuario primario accede al espectro para así liberarlo inmediatamente; esto esconocido como sensado espectral.

Para el sensado espectral, se han desarrollado técnicas basadas en detección de energía, filtradoadaptativo, correlación espacial, sensado basado en identificación de forma de onda, sensadomultidimensional, sensado compresivo, sensado cooperativo, sensado distribuido; y estándarescomo el IEEE 802.11k o el IEEE 802.22 donde se dan especificaciones para el sensado del espectro[18].

4.1 EL Radio USRP B200 mini

La figura 4.1 muestra el radio USRP B2000 usado como usuario cognitivo y la figura 4.2 muestrasu arquitectura general.

Las siguientes son las principales características técnicas del radio:

Rango de frecuencia de 70 MHz a 6 GHzProgramable por el usuario en una FPGA Xilix Spartan 6

38 Capítulo 4. Diseño y Desarrollo del Usuario Cognitivo

Figura 4.1: Radio USRP B200 mini

Figura 4.2: Arquitectura del Radio USRP B200 mini

Interfaz RF con tarjeta AD9364 de Analog Device con un ancho de banda instantáneo de 56MHz.Conexión a bus USB 3.0.Conectores para GPIO, JTAG.Sincronización con un reloj de referencia de 10 MHz o con entrada PPS.Soporta software UHD, GNU radio, C/C++ y PythonRango de temperatura de operación de 0 a 45 grados centígrados.

4.2 Definición e implementación de las funciones del usuario cognitivo

De acuerdo a la metodología explicada, el modelo de funcionamiento del radio cognitivo (SDR)es basado en funciones. Cada función tiene una serie de entradas y salidas definidas. Para explicarcada una de las funciones asociadas al usuario cognitivo, la figura 4.3 muestra el diagrama de estadosde este componente.

4.2 Definición e implementación de las funciones del usuario cognitivo 39

Figura 4.3: Diagrama de Estados del Usuario Cognitivo

En el diagrama de estados, se muestran encima de las flechas los eventos que activan cada unade las funciones encerradas en círculos. A continuación se describe en que consiste cada una de lasfunciones diseñadas y los resultados de su implementación.

4.2.1 Función RegistrarSe activa cuando un SDR solicita su registro en el sistema. El SDR envía información de registro

al servidor, y el servidor le envía una confirmación de registro exitoso o rechazado.

Dado que ésta función se encarga de registrar (identificar) al usuario cognitivo ante el servidor,éste envía un mensaje con la siguiente información: Serial, dirección IP, posición GPS (latitud,longitud, altitud), como se muestra en la figura 4.4 . Una vez esta información es enviada al servidor,el usuario cognitivo espera un mensaje de confirmación de registro.

Figura 4.4: Campos de información que envía un SDR cuando se registra

Con respecto a la implementación de esta función, se desarrollo y realizaron pruebas usandodistintos nodos conectados al servidor principal; en este caso los radios son registrados con su


dirección ip y serial real. Conforme al diseño se implementó la función encargada de inicializar elproceso de sensado en el momento en que se le indique y durante un tiempo determinado, con losparámetros mencionados previamente definidos; esto con el objetivo de optimizar recursos y tenerun control total sobre el proceso de sensado de espectro en cada uno de los nodos involucrados. Lainterfaz con el usuario desarrollada para inicializar el proceso de registro se muestra en la figura 4.5.Note que hay un botón destinado a inicializar el registro del SDR en el servidor.

Figura 4.5: Interfaz para probar funciones del Usuario Cognitivo

4.2.2 Función Medir CanalSe activa cuando el servidor le envía una orden al SDR de hacer sensado espectral. Una vez el

SDR recibe la orden, ejecuta el algoritmo de sensado, y una vez obtiene las muestras, las envía alservidor y recibe la confirmación del envío.

El siguiente algoritmo resume la operación básica del del sensado espectral, en cada grupo de smuestras, para determinar si el canal correspondiente a esas muestras esta ocupado o libre.

1. Entrada: Un SDR activo en el área.2. Entrada: Banda espectral definida para el SDR.3. Entrada: Definición del número de muestras a tomar s.4. El SDR recibe una orden de sensado por parte del servidor.5. El SDR inicializa el sensado espectral en la banda configurada tomando m muestras.6. El SDR conforma un vector xmedidas con s muestras de potencia captadas en la banda asignada.7. El SDR calcula la transformada de Fourier de las muestras.8. El SDR define un piso de ruido PR equivalente a la mediana de las muestras.9. El SDR toma la longitud total de la muestra (teorema del muestreo) y se divide en m canales.

10. El SDR construye bloques de 100 muestras y en cada una de ellos se calcula el valor promedio,y se guarda el valor máximo ValPromMax.

11. SI: ValPromMax > PR12. Se clasifica el canal como ocupado13. SI NO:

4.2 Definición e implementación de las funciones del usuario cognitivo 41

14. Se clasifica el canal como libre15. Fin SI

Si se quiere consultar el algoritmo completo den Phyton, este se encuentra en el anexo 1 de estedocumento.

En el proceso de sensado espectral se diseñó de manera adicional un algoritmo básico deMáximo Hold, que consiste en que el radio adquiere las muestras de potencia espectral en la bandaseleccionada n veces, durante n instantes consecutivos de tiempo. Al inicio, con la primera medida,se conforma un vector espectral. Cada vez que se realiza nuevamente el muestreo, se actualiza elvector espectral, reemplazando las muestras anteriores por las nuevas solo si las muestras nuevastienen mayor nivel de potencia, de lo contrario se mantiene la anterior medida. Posteriormentede acuerdo a las medidas tomadas el SDR construye un vector digital de asignación de canales,dividiendo el ancho de banda disponible en m canales, y asignando a cada canal un valor digital de 1o 0, donde 1 es canal ocupado y 0 es canal desocupado.

El siguiente algoritmo resume la operación del sensado espectral con el algoritmo adicional deMáximo Hold.

1. Entrada: Un SDR activo en el área.2. Entrada: Banda espectral definida para el SDR.3. Entrada: Número n de repeticiones de medida.4. El SDR recibe una orden de sensado por parte del servidor.5. El SDR inicializa el sensado espectral en la banda configurada.6. El SDR conforma un vector xmedidas con las primeras medidas de potencia captadas en la

banda asignada.7. Para: i← 2,n8. El SDR sensa nuevamente intensidad de potencia en la banda seleccionada conformando

un nuevo vector xnew

9. El SDR actualiza los valores de xmedidas, comparando cada valor actual con el valornuevo de xnew y reemplazando el valor de xmedidas si el nuevo valor es mayor.

10. Fin para11. El SDR construye un vector ycanales con m posiciones, correspondientes a cada canal, y con

base en las medidas tomadas asigna un 1 o un 0 a cada posición, indicando que el canal estáocupado o desocupado.

12. El SDR envía el vector ycanales final al servidor.

Para probar el sistema se realizaron las pruebas de comunicación y registro entre el servidory distintos usuarios cognitivos y luego se depuró la interfaz gráfica que había sido diseñadaanteriormente Se configuró además el servidor para recibir los datos sensados por un SDR. Enla figura 4.6 se muestra la estructura de los mensajes que recibe el servidor, que en este casoprovienen del usuario cognitivo. Inicialmente se muestra el proceso de registro e inmediatamente segenera la lista con los usuarios registrados. Finalmente se muestra el proceso en el cual el usuariocognitivo hace el envío de las medidas luego de aplicar su función de sensado de espectro.

Dentro de la función medir canal, se desarrollo una sub-función: La función Enviar Medidas.Esta función se encarga de enviar las medidas al servidor y además, el vector que determina la


Figura 4.6: Funciones implementadas en el servidor

ocupación del canal. Una vez el envío finaliza, espera un ack o confirmación de recepción por partedel servidor. La estructura de la información que se envía al servidor es la siguiente: Información deidentificación, muestras tomadas, vector de ocupación de canales. Esto se muestra en la figura 4.6 enla fila que se titula Mensaje Recibido.

4.2.3 Función Pedir CanalSe activa cuando el SDR solicita un canal para establecer comunicación. El SDR hace la solicitud

al servidor y recibe una confirmación. Mas tarde recibe el canal asignado también a través delservidor.

Esta función se encarga de solicitar al servidor uso de canal para un usuario cognitivo. Estasolicitud enviada tiene la siguiente estructura: Información de identificación del usuario cognitivo,número de bandas requeridas. Una vez enviada la solicitud, el usuario recibe una confirmación derecepción por parte del servidor.

4.2.4 Función Usar CanalSe activa cuando el SDR recibe por parte del servidor el canal asignado para establecer

comunicación. En esta función el SDR se autoconfigura de acuerdo al canal asignado y suscaracterísticas.

5. Diseño y Desarrollo del Centro de Fusión

5.0.5 Componentes del Centro de Fusión y escalabilidadEl Centro de Fusión se divide en dos sub-componentes:

El servidorEl Spectrum Broker

El servidor es el músculo del centro de fusión, y el Spectrum Broker (SB) es el cerebro. Elsistema está diseñado para que sea escalable, de tal forma que el servidor pueda manejar uno, o masde un SB. En el caso que varios SB hagan parte del sistema, cada uno tendrá un dominio definido,por lo que será denominado Spectrum Broker Domain (SBD), como se muestra en la figura 5.1.

Figura 5.1: Escalamiento del sistema SISGAAE

44 Capítulo 5. Diseño y Desarrollo del Centro de Fusión

El objetivo de establecer SBD’s es organizar diferentes usuarios cognitivos en diferentesdominios, ya sea dominios geográficos, espectrales, de servicio, o cualquier dominio que se permitaun mejor desempeño del sistema o se ajuste a alguna necesidad específica de diseño. Note, porejemplo, que en la figura 5.1 cada SBD tiene asignado unos SDR, de acuerdo al color mostrado. Sies dominio geográfico, los SDR’s de un mismo color estarían ubicados en una celda en común, sies dominio espectral, estarían transmitiendo en frecuencias contiguas o pertenecientes a una bandaespecífica, o si es un dominio de servicio, estarían prestando un servicio similar, de voz, datos ovideo.

El servidor sirve como puente entre los usuarios cognitivos y el SB. Algunas veces sencillamenteserá una interfaz para que la información de datos y control se dirija al SB, pero en otras ocasionesserá un equipo de memoria, donde se almacene la información del sistema y el SB pueda acceder aesta información usando funciones de consulta para generar informes o tomar decisiones. El servidornecesita por lo tanto tener alta capacidad de almacenamiento y tener definidos los protocolos decomunicación con los usuarios cognitivos y los SB’s.

5.0.6 El Spectrum Broker (SB)

En cuanto al procesamiento de la información y las decisiones de asignación espectral, en laliteratura se a propuesto la intervención de una entidad generalmente conocida como SpectrumBroker (SB) o Bandwidth Broker (BB), la cual controla y distribuye los recursos espectrales [12][19]. El SB debe implementar decisiones y algoritmos de control (spectrum management) usando unpaquete de software llamado Motor Cognitivo (cognitive engine-CE) el cual es el responsable dela optimización y el control de los usuarios cognitivos con base en ciertos parámetros de entrada[20]. Estos mecanismos, que son aún un área abierta de discusión [21], son formalmente usadosen aplicaciones cognitivas reales. Por ejemplo, en [22], un BB es usado para asignar ancho debanda a unos usuarios dentro de una femtocelda, bajo determinadas políticas de acceso, reserva derecursos y decisiones de control de admisión. De acuerdo con el contexto en que este dispositivoes usado y sus funciones, SB toma nombres como Bandwidth Broker [23], Spectrum Policy Server[19], Regional Spectrum Broker [21] o simplemente Broker [24]. En todos estos escenarios, SBes la entidad responsable de ejecutar 3 de las 4 funciones básicas definidas para radio cognitiva:Seleccionar los canales disponibles (Spectrum Decision), coordinar el acceso a estos canales entreusuarios disponibles (Spectrum Sharing), y desocupar los canales cuando un usuario licenciado esdetectado (Spectrum Mobility)

En el sistema de asignación por subasta propuesto en este proyecto, un SB será usado paracontrolar el acceso al espectro y distribuir los recursos espectrales entre los dispositivos inalámbricos(usuarios cognitivos) dentro de un área geográfica determinada [20] [12]. Un esquema basado enSB, requiere un canal de control que en principio debe ser ortogonal (e independiente) al canal detráfico de datos. Con respecto a este canal, aspectos como el manejo de colisiones (Cuando doso más usuarios intentan enviar o recibir información de control al mismo tiempo) o el control deacceso al medio (tanto de usuarios licenciados como de usuarios no licenciados), no han sido aúnregulados, por lo que se pueden proponer diversas alternativas como técnicas full duplex, uso deCDMA, OFDM, FBMC o UWB de baja velocidad, alternativas que deben ser exploradas.

En el sistema SISGAAE , las funciones básicas del SB son:

45

Atender los requerimientos de canal que hacen los usuarios cognitivos que operan en eldominio asignado, a través del servidor.Determinar que porciones del espectro están disponibles de acuerdo con la informaciónenviada por los usuarios cognitivos.Seleccionar los canales disponibles y coordinar el acceso a dichos canales de acuerdo a losrequerimientos de calidad y demanda de los usuarios cognitivos.

5.0.7 El Motor Cognitivo

El SB puede realizar sus funciones debido a la existencia del Motor Cognitivo (Cognitive Engine- CE). El Motor Cognitivo es un paquete software responsable del control de asignación de espectro alos usuarios cognitivos. Es prácticamente el cerebro del centro de fusión. En el escenario propuesto,en principio, el CE tiene diferentes funciones en dos de las tres capas mostradas en la figura 2.5: Lacapa de proceso de análisis de datos (Data analysis process) y la capa de proceso de administración(Spectrum decisions - Spectrum Mobility).

En la capa de proceso de análisis de datos el CE debe interpretar los datos recibidos a través delcanal de control con el propósito de tener una imagen aproximada del espectro visto por el usuariocognitivo, y así identificar los huecos espectrales (spectrum holes). Además, en esta capa, en el linkde bajada están las tablas de mapeo, que pueden ser usadas no solo para almacenar información decontrol y estado del espectro, sino además entregar información que puede ser usada en algoritmosespecializados (pueden ser de aprendizaje o de inteligencia artificial) para recobrar la señal espectralo asignar espectro, por ejemplo, un análisis del historial de asignación de espectro puede inferirampliamente en la toma de decisiones de una nueva asignación (porciones que normalmente estándesocupadas tienen prioridad al ser asignadas).

En la capa de proceso de administración, se asume que los huecos espectrales (spectrum holes)son conocidos, y por lo tanto allí la función principal es identificar e implementar algoritmos paraasignación. Esta capa debe tener en cuenta los criterios de asignación para usuarios cognitivos, quenormalmente son oportunistas, donde el espectro disponible es asignado al primer usuario que losolicita, pero se pueden formular otros criterios basados en prioridad, calidad requerida, justicia,equidad, entre otros.

Por ejemplo, el CE podría asignar una porción determinada de espectro a un usuario cognitivode acuerdo con su requerimiento de ancho de banda, que depende a la vez de la calidad que necesita.Un posible procedimiento por parte del CE en el momento en que se le solicita al SB que asigne unaporción espectral sería:

1. Determinar el ancho de banda total del espectro sensado.2. Determinar el ancho de banda usado por cada usuario. Este ancho de banda podría cambiar

entre usuarios o ser constante.3. Calcular el número total de slots de frecuencia disponibles en el ancho de banda total usado.4. Identificar la cantidad de huecos espectrales y su localización.5. Determinar el requerimiento de espectro del usuario. Esta información puede hacer parte de

aquella enviada por el canal de control, o se puede deducir de acuerdo al tipo de información(voz, datos, video, etc).


6. De acuerdo con la información del item 4, los huecos espectrales son asignados al usuariocognitivo. En este paso los criterios de asignación son tenidos en cuenta.

Con respecto a la administración y asignación del espectro,se han propuesto diversas técnicas,tales como teoría de grafos, teoría de juegos, programación lineal o lógica fuzzy, en arquitecturascentralizadas, distribuidas, con canal de control común, clusterizadas, o segmentadas [25].

5.0.8 El radio USRP X310 de EttusEl radio Ettus USRP X310, mostrado en la figura 5.2, es un radio definido por software (SDR) de

alto desempeño desarrollado para aplicaciones de nueva generación en sistemas de comunicacionesinalámbricas. Su arquitectura hardware incluye dos ranuras a tarjetas secundarias de ancho de bandaextendido que cubren de DC a 6 GHz con anchos de banda en banda base superiores a 120 MHz.Maneja además una interfaces de alta velocidad, con opciones como PCIe, dual 10 GigE, o dual1 GigE, con una FPGA programable por el usuario Kintex-7. En cuanto a sistemas operativos,soporta Linux o Windows, con plataformas de desarrollo como GNU radio y Xilinx Vivado 2015.2,y capacidad de operación con soporte a 4G por medio del software Amaris LTE 100.

Figura 5.2: Radio USRP X310

Las características técnicas mas importantes de este radio son:

2 ranuras a tarjetas secundarias de ancho de banda extendido que cubren de DC a 6 GHz conanchos de banda en banda base superiores a 120 MHz.FPGA Xilinx Kintex-7 personalizable para procesamiento digital de señales de alto desempeño.Multiples interfaces de alta velocidad, como Dual 10 Gigabit Ethernet con 200 MS/s FullDuplex; PCIe Express (desktop) con 200 MS/s Full Duplex; ExpressCard (Laptop) con 50MS/s Full Duplex; y Dual 1 Gigabit Ethernet con 25 MS/s Full Duplex.Arquitectura UHD compatible con GNU radio, C++ Phyton API, Amarisoft LTE 100 yOpenBTS.Arquitectura de timer flexible, con tasa de muestreo configurable, interfaz opcional GPS-disciplined OCXO, y operación coherente con OctoClock y OctoClock-G.

5.1 Operación y funciones del servidor 47

Modulo digital de entrada/salida accesible en el frente del panel para control manual e interfasecon la FPGA.

La figura 5.3 muestra el diagrama de bloques interno del radio USRP X310, donde se puedenobservar las entradas, salidas y sub-sistemas que implementan las características técnicas mencionadas.

Figura 5.3: Diagrama de bloques interno del Radio USRP X310

El radio USRP X310 será el encargado dentro del sistema de implementar las funciones del SB,en unión con un Laptop que funciona como servidor.

5.1 Operación y funciones del servidor

De acuerdo a la metodología propuesta, a continuación se definen las funciones del servidor. Estoserá presentado mediante un diagrama de estados. El diagrama de estados del servidor se presenta enla figura 5.4

A continuación se describe en que consiste cada una de las funciones diseñadas. Note que se leasigna un código único a cada función.

5.1.1 Función Conectar SB: S-FCSB

Se activa cuando un SB solicita al servidor su conexión. El servidor abre un espacio de memoriapara el SB y lo registra. Dentro de las especificaciones técnicas del SISGAAE se plantea que elCentro de Fusión tiene una capacidad de conectar hasta 5 SB’s. Como se había mencionado, estopermite la escalabilidad del sistema, es decir, permite que se asigne un grupo específico de SDR’s aun SBD (Spectrum Broker Domain).

El hecho que el Centro de Fusión pueda manejar varios SB’s, implica una organización especialde la información en el servidor, de tal forma que se independice la información asociada a cada SB.En la práctica, cada SB sería un radio USRP X310 o un SDR que actúe como SB.


Figura 5.4: Diagrama de Estados del Servidor

Esta función reafirma el hecho, que para que un SB realice gestión espectral de un grupo deSDR’s, debe estar registrado antes en el sistema. A futuro, esto significaría que cada SDR tiene elpotencial de ser un SB, por lo tanto en el proceso de registro de un SDR debe aclararse si se registrasólo como Usuario Cogntivo, sólo como SB o como ambos.

Finalmente, una vez el Servidor registra el nuevo SB, le debe de enviar un acuse de recibo.

5.1.2 Función Agregar a Lista: S-FA

Se activa cuando un SDR le solicita registro. El servidor agrega el nuevo SDR a la lista deusuarios y le envía una confirmación al SDR.

Cuando hay un solo SB activo, sencillamente se maneja una sola lista de SDR’s registrados. Sinembargo, si hay mas de un SB, el servidor debe definir a que SB le asignará el SDR entrante, deacuerdo a un criterio de asignación predefinido.

El Servidor debe tener disponibles las listas de usuarios registrados para el momento en que unSB le solicite esta información.

Las dos funciones anteriores: Conectar un SB y agregar a lista un SDR, tienen de formaintrínseca su contraparte, es decir, desconectar SB y desagregar SDR. Por lo tanto, cuando un SBquiera desconectarse deberá usar dicha función, con un código que avise que se quiere desconectar,asimismo cuando un SDR se quiera desagregar. Sin embargo, el servidor no solo quitará de su

5.1 Operación y funciones del servidor 49

listado SDR’s o SB’s bajo solicitud, sino se deben desarrollar otros criterios, como la no utilizacióndel recurso en determinado tiempo, en el caso de SDR’s, o la no prestación del servicio durantedeterminado tiempo, en el caso de los SB’s. Esto quiere decir, que si un SB’s se conecta al servidor,pero el criterio de asignación de SDR’s al SB hace que ningún SDR sea asignado a dicho SB durantedeterminado tiempo, entonces el servidor podrá desconectar el SB de dominio.

Finalmente, una vez el Servidor registra el nuevo SDR, le debe de enviar un acuse de recibo.

5.1.3 Función Pedir Canal: S-FPCSe activa cuando el SDR solicita un canal para establecer comunicación. El servidor envía una

confirmación al SDR de que recibió la solicitud. Posteriormente el servidor envía dicha solicitud alSB. Mas tarde recibe el canal asignado y lo envía al SDR mediante otra función.

En esta función, el Servidor actúa solo como un puente entre un SDR que solicita recursosespectrales y un SB que le asigna el canal apropiado. Note que en esta función, el Servidor solodetecta la solicitud de canal y hace la solicitud al SB, sin embargo en esta función no esta contempladala asignación de canal, ya que eso hace parte de otra función. Por lo tanto, el servidor podría recibirvarias solicitudes de canal de varios SDR’s, y aun así, no asignarle canal inmediatamente a ninguno,ya que la función Pedir Canal es diferente a la función Asignar Canal. Esto obliga al servidor amanejar un sistema de colas o de memoria donde guarde las solicitudes pendientes y responda dichassolicitudes cuando el SB haga las asignaciones de canal correspondientes a dicha solicitud.

Aquí los tiempos de procesamiento juegan un papel importante, ya que una solicitud de canal esprácticamente instantánea, mientras una asignación de canal es fruto de un proceso largo: sensadoespectral de los SDR’s, transmisión de información, algoritmo de asignación y asignación final. Porlo tanto, el Servidor debe tener un límite máximo de solicitudes en cola, o si no el sistema podríacolapsar. El caso mas sencillo es cuando el Servidor no recibe ninguna solicitud nueva, hasta quehaya asignado canal a la solicitud actual.

5.1.4 Función Asignar Canal: S-FACSe activa cuando el servidor recibe del SB el canal asignado para un SDR a fin de establecer

comunicación. El servidor envía la información de canal al SDR y espera confirmación. Sin embargo,se debe recordar que en esta función es posible asignar nuevos canales de comunicación a todoslos SDR’s, por lo que el servidor recibiría el mapa total de usuarios y canales asignados, y luegoenviaría una solicitud de cambio de canal a todos los SDR’s

Esta implementación a modo broadcast, donde cada vez que un usuario cognitivo solicita canal,se hace la re-asignación de canal a varios SDR’s o a todos, permite que el sistema sea dinámico yhaya menos probabilidad de pérdida de comunicación por parte de un SDR. Recuerde que los SDRson usuarios cognitivos que están usando una porción espectral, que posiblemente podría pertenecera un usuario Licenciado que en el momento no la está usando o la está usando con poca interferencia.Por lo tanto, dado que el algoritmo de asignación depende de una muestreo previo del espectro, sicada vez que un nuevo usuario solicita canal se actualizan todos, en el proceso de actualizaciónse le asignan nuevos canales con menos probabilidad de ser ocupados que los que tenia asignadospreviamente.


5.1.5 Función Medir Canal: S-FMCSe activa cuando el SB le solicita al servidor que los SDR’s deben medir el canal mediante sus

algoritmos de sensado espectral. El servidor recibe la solicitud y se comunica con los SDR’s para darla orden de sensado. Luego el servidor espera las medidas tomadas por parte de los SDR’s y envíadichas medidas al SB para que ésta ejecute los algoritmos de asignación.

Note que esta es una función intermedia, entre las funciones Pedir Canal y Asignar Canal, yaque el momento en el que se necesitará que los SDR’s hagan sensado espectral y envíen sus datos alCentro de Fusión, es el momento previo a una asignación de canal. El orden por lo tanto es: Funciónpedir canal, luego función medir canal, y finalmente función asignar canal.

Recuerde además en que esta función Medir Canal el servidor debe hacer la solicitud a un grupode SDR’s en forma de broadcast y recibir de esta forma la información de muchos para retransmitirlaal SB.

5.2 Operación y funciones del Spectrum Broker (SB)

El diagrama de estados del Spectrum Broker se presenta en la figura 5.5

Figura 5.5: Diagrama de Estados del Spectrum Broker

A continuación se describe en que consiste cada una de las funciones diseñadas. Note de nuevoque se le asigna un código único a cada función.

5.2.1 Función Registro: B-RSBSe activa cuando un SB solicita al servidor su conexión. El servidor abre un espacio de memoria

para el SB y lo registra. El SB debe recibir la confirmación del Servidor.

5.2 Operación y funciones del Spectrum Broker (SB) 51

Si el SB es el único del sistema, desde el momento en que se registre, todos los SDR’s queingresen al sistema le serán asignados, y por lo tanto el SB será el responsable de gestionar el espectropara esos SDR’s. Si el SB no es el primero en registrarse, sino hay activos otros SB’s, entonces elservidor desde el momento en que el SB ingreso al sistema le comenzará asignar ciertos SDR’s deacuerdo con su criterio interno de asignación. Un nuevo SB en el sistema, podría descongestionarotros SB’s y acelerar los tiempos de asignación de canal de los SDR’s.

En esta función registro, debe también estar la opción, por medio de algún código especial, deabandonar el sistema, es decir, de que un SB avise al servidor que lo quite de la lista y deje deprestar el servicio de gestor espectral. Como se espera en escenarios futuros que cualquier SDR sirvapotencialmente como SB, esto cobra relevancia.

5.2.2 Función Listar Usuarios: B-FLUSe activa cuando el SB requiere del servidor las listas actualizadas de usuarios asignados a él.

El SB podría requerir de estas listas en los siguientes casos:Cuando deba hacer algún reporte o informe: El SB eventualmente debe estar en la capacidadde ofrecer reportes de ocupación de canal de sus SDR’s asignados. Aunque hay una funciónexclusiva para esto, no se debe descartar que durante la ejecución de esa función (PedirReporte), se necesite ejecutar esta.Durante la ejecución del algoritmo de asignación de canal: El algoritmo de asignación decanal re-asigna canal a todos los SDR’s adscritos al SB, por lo que el SB necesitará conocer ellistado de SDR’s asignados a él.

5.2.3 Función Pedir Reporte: B-FPRSe activa cuando el SB solicita un reporte estadístico al servidor.

Algunos de los datos que el SB podría solicitar al servidor son:Listas Actualizadas de SDR’s asignados.Ocupación espectral de los SDR’s asignados.Tiempo de conexión de los SDR’s asignados.Espectro sensado por los SDR’s activos. Esto se hace siempre que se ejecuta el algoritmo deasignación de canal, pero es posible que eventualmente se solicite un reporte del estado actualdel espectro, sin que necesariamente se esta re-asignando canal a los usuarios.

5.2.4 Función Medir Canal: B-FMCSe activa cuando el servidor le solicita asignar canal para un SDR. En ese momento el SB

procede a solicitar medidas espectrales actualizadas al servidor. Luego de cierto tiempo el servidorenvía las medidas.

Esta función se ejecuta normalmente justo antes de ejecutar el algoritmo de asignación, y esen esta función donde se ejecuta el algoritmo de sensado cooperativo. Al SB le llegan del servidorlas medidas de canal de todos los SDR’s y con base en todas las medidas puede realizar ajustes alos vectores de medida de canal, pudiendo en determinado caso, cambiar canales desocupados acanales ocupados o viceversa. Un SDR en su proceso de sensado espectral pudo haber determinado


que cierto canal esta desocupado, sin embargo el SB al tener la información de todos los SDR’s(mediciones espectrales y ubicaciones) tiene una visión mas amplia del espectro y por medio dealgoritmos especiales considerar que cierto SDR se equivoco en su análisis y catalogó un canalocupado como desocupado o uno desocupado como ocupado (Falsos negativos y falsos positivos).

5.2.5 Función Procesar Medidas: B-FPMSe activa cuando el SB recibe el estado de canal de los SDR y se ha ejecutado el algoritmo de

sensado cooperativo. El SB procesa los vectores para determinar la nueva asignación de canal detodos los SDR. Una vez termina de ejecutar el algoritmo de asignación, el SB envía la informaciónal servidor por medio de la Función Asignar Canal y el servidor le envía una confirmación.

5.2.6 Función Asignar Canal: B-FACSe activa cuando se termina de ejecutar el algoritmo de asignación y ya se conoce la nueva

asignación de canal para todos los SDR’s. Cuando se activa esta función, el SB envía los vectorescon las nuevas asignaciones de canal al Servidor, para que este envíe la información a los SDR’s yactualice sus listas internas de ocupación espectral.

5.3 Algoritmo de Asignación de Canal

El SB, a través de su motor cognitivo, debe implementar el algoritmo de asignación de canal,cuando haya una nueva solicitud de espectro por parte de un SDR. Este algoritmo tiene las siguientescaracterísticas:

De acuerdo a la información de monitoreo espectral enviada por los SDR’s, selecciona el canalmas apropiado para cada uno.Se ejecuta cada vez que un SDR solicita canal para comunicarse. Esta solicitud puede darsepor dos posibles razones: Que un SDR nuevo entró al sistema, o que un SDR activo detectóinterferencia en su canal y solicita cambiar.Se basa en darle prioridad de asignación de canal a los SDR’s que menos canales desocupadoshayan detectado.

Este algoritmo se denominará Algoritmo de Asignación por prioridad de usuario con mínimonúmero de canales libres con re-asignación general, debido a que le da prioridad de asignación alusuario que monitoreó menos menos canales libres. El algoritmo básicamente consiste en seleccionarcuales SDR’s monitorean menos canales libres, y asignarles canal primero a ellos. Dado que cuandose asigna un canal, queda ocupado también para los otros usuarios cognitivos del área, el número decanales disponibles de los otros usuarios cognitivos disminuye inmediatamente se asigna canal alprimero. Por lo tanto, si no se tiene prioridad con los usuarios que tienen pocos canales disponibles,se corre el riesgo que durante las asignaciones de canal de sus compañeros se queden sin canal.

La información que recibe el SB es un vector de cada SDR que dice cuales canales están libres ycuales canales están ocupados, de acuerdo a su propio proceso de sensado espectral, con el criteriode detección de energía. Por ejemplo, sea un sistema con 10 canales disponibles, y sea V el vectorde monitoreo esspectral de un SDR. Si V = [0011010111], donde 1 indica un canal ocupado, y 0indica canal libre; por lo tanto en este caso, de acuerdo al sensado espectral realizado por ese SDR,


los canales 1,2,5 y 7 están disponibles. Finalmente se debe tener en cuenta que los canales queestán siendo monitoreados como ocupados, no necesariamente están ocupados por otros usuarioscognitivos, sino podrían estar ocupados por otros usuarios primarios, de los cuales el sistema notiene información espectral.

Teniendo en cuenta esta notación, a continuación se presenta el algoritmo general de asignación .

1. Entrada: n vectores de monitoreo de canal, correspondientes a n usuarios cognitivos.2. El motor cognitivo (MC) conforma una matriz M con todos los vectores, de n filas y c

columnas, donde n es el número de usuarios cognitivos que envió información espectral y c esel número total de canales disponibles. La matriz es de unos y ceros, donde 1 denota canalocupado y 0 canal desocupado.

3. El MC conforma una matriz A donde almacenará los vectores que se les va asignando canal.4. k = n.5. Mientras: k 6= 06. El MC identifica cual fila de la matriz M (usuario) tiene menos ceros (canales libres).7. El MC le asigna uno de los canales libres a este usuario8. El MC actualiza a todos los demás vectores fila de la matriz (usuarios) colocando como

ocupado el canal que asigno.9. EL MC retira de la matriz M el vector del usuario al que le asigno canal y lo copia en la

matriz A10. k = k−1.11. Fin Mientras12. El MC envía la matriz A con la nueva asignación de canales al servidor.

5.4 Implementación y prueba de AlgoritmosUna vez los algoritmos fueron implementados en los SDR’s y en el SB, se realizó la prueba

haciendo un proceso de solicitud de banda, sensado y asignación. A continuación se muestra paso apaso el proceso, y la captura de pantalla del sistema funcionando.

Paso 1: USUARIO COGNITIVO SOLICITA UNA BANDA AL SERVIDOR (FUNCIÓNPEDIR CANAL (U-FPC)):

Un usuario ya registrado, solicita al servidor el uso de una banda y recibe un ACK. El proceso semuestra en la figura 5.6

Figura 5.6: Proceso de solicitud de banda del SDR al Servidor

Paso 2: SERVIDOR RECIBE SOLICITUD DE USO DE BANDA POR PARTE DE UNUSUARIO (FUNCIÓN PEDIR CANAL (S-FPC)):


El servidor recibe la solicitud enviada por un usuario. Esta solicitud tiene la siguiente estructura:mensaje de solicitud y datos de identificación del usuario que solicita (serial, dirección IP, posicióngps del usuario, número de bandas que solicita). Cuando el mensaje se recibe, inmediatamente setransfiere al spectrum broker y se espera un ACK de confirmación, como se muestra en la figura 5.7.

Figura 5.7: Proceso de solicitud de banda del sevidor al SB

Paso 3: SPECTRUM BROKER RECIBE SOLICITUD DE USO DE BANDA (FUNCIÓNMEDIR CANAL (B-FMC)):

El spectrum broker recibe la solicitud del servidor para asignar canal a un usuario e inmediatamentedevuelve un mensaje de confirmación de recepción. Además, solicita la lista usuarios al servidor yenvía la orden de que todos los usuarios realicen la función de sensado de espectro, como se muestraen la figura 5.8.

Figura 5.8: Proceso de solicitud de medidas del SB al Servidor

Paso 4: EL SERVIDOR RECIBE SOLICITUD DEL SPECTRUM BROKER PARA QUELOS USUARIOS MIDAN (FUNCIÓN MEDIR CANAL (S-FMC)):

El servidor al recibir la orden de medición del spectrum broker transfiere la orden a todos losusuarios registrados a través del modelo de comunicación PUB-SUB (Publisher-subscriber). Elresultado del proceso se muestra en la figura 5.9.

Paso 5: LOS USUARIOS RECIBEN LA ORDEN DE MEDIDA POR PARTE DEL PUBLISHER(SERVIDOR) – FUNCIÓN MEDIR CANAL (U-FMC):

El usuario recibe la orden de medida y realiza la función de sensado y envía las medidas alservidor. En la figura 5.10 se muestra el proceso de sensado de canal realizado por el usuariocognitivo, y en la figura 5.11 se muestra el proceso donde se saca la Transformada de Fourier de


Figura 5.9: Proceso de solicitud de medidas del servidor a los SDR’s

las medidas y con base en el piso de ruido y el ancho de banda definido por canal se establece laocupación o vacancia de los canales.

Figura 5.10: Proceso de sensado espectral por parte de un SDR

Paso 6: SERVIDOR RECIBE LAS MEDIDAS Y LAS ENVÍA AL SB:

El servidor recibe las medidas por parte de los usuarios, y crea una lista (diccionario). Eldiccionario es enviado al spectrum broker y este devuelve un mensaje de confirmación. En la figura5.12 se muestra el proceso donde el SDR envía medidas al servidor, y este envía medidas al SBrecibiendo la posterior confirmación.

Paso 7: SPECTRUM BROKER ASIGNA CANAL DE ACUERDO A LAS MEDIDASRECIBIDAS:

En este paso se implementan las funciones: FUNCIÓN PROCESAR MEDIDAS (B-FPM),y , FUNCIÓN ASIGNAR CANAR (B-FAC). El spectrum broker recibe las medidas y aplica elalgoritmo de asignación de canales. Luego de esto, genera una lista con la información de asignacióny la envía al servidor. En la figura 5.13 se muestra el proceso desde que el SB recibe las medidas,hasta que envía la asignación de canales al servidor.


Figura 5.11: Procesamiento de las muestras tomadas y construcción del vector de ocupación

Figura 5.12: Proceso de envío de medidas del SDR al servidor, y del servidor al SB.

Paso 8: SERVIDOR RECIBE INFORMACIÓN DE ASIGNACIÓN:

El servidor recibe la lista con la información de asignación de canales y la envía a los sensores(PUB-SUB) para que identifiquen su canal asignado, como se muestra en la figura 5.14

Paso 9: SENSOR RECIBE INFORMACIÓN DE ASIGNACIÓN

Finalmente el sensor recibe la lista con la información de asignación, y mediante su serial,identifica cuál es su canal asignado, como se muestra en la figura 5.15. Tenga en cuenta que esteproceso se ejecuta en todos los usuarios registrados.


Figura 5.13: Proceso de asignación de canales por parte del SB.

Figura 5.14: Proceso de recepción de vector de asignación por parte del servidor.

Figura 5.15: Proceso de recepción de vector de asignación por parte del SDR.

6. Desarrollo del Gestor White Spaces

6.1 Desarrollo de la aplicación en Bing Maps

Para el desarrollo y uso de la aplicación, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos. Elsistema se basa en la participación de usuarios licenciados y no licenciados. Los usuarios licenciadosobtienen su permiso por parte de la Agencia Nacional del Espectro (ANE) mediante una licenciaque les permite transmitir una señal de transmisión en una ubicación determinada del territoriocolombiano, asignado un canal especifico perteneciente a una antena base, usando dispositivos detransmisión en espacios en blanco usando un Sistema de Gestión del Espectro. Los usuarios nolicenciados, a pesar de estar registrado a la aplicación, pueden consultar ubicaciones, conocer loscontornos de las estaciones base y conocer en qué puntos podrá ubicar sus dispositivos. Sin embargo,si dicho usuario no obtiene dicha licencia de parte de la Agencia Nacional del Espectro (ANE), nopodrá realizar transmisión en ninguna ubicación del territorio colombiano, bien sea para señal deradio, televisión, telefonía móvil o servicio de Internet.

También se definen usuarios anónimos, los cuales a diferencia de los usuarios no licenciados,solo tienen acceso a funcionalidades básicas dentro del Sistema de Gestión de Espectro, tales comorevisar los canales que se encuentran disponibles y conocer ubicaciones dentro del mapa.

En cuanto a dispositivos se clasifican como fijos y portátiles. Los dispositivos fijos de espacioen blanco son operados desde ubicaciones específicas, fijas o inamovibles. Como tales, tienenmás aplicación para uso comercial como Puntos de Acceso WIFI, provisión de internet rural, oinstalaciones móviles para celular. Usualmente operan a potencias más altas y se ubican en antenasmontadas en edificios, de forma que tengan una señal más intensa y alcanzan grandes distancias detransmisión. Sus reglamentaciones son más estrictas en términos de ubicación y horas de operación.

Los dispositivos portables o portátiles operan en distancias más cortas y utilizan niveles depotencia más bajos (tales como computadores portátiles y teléfonos celulares). A partir de quegeneran un ancho de banda muy pequeño, son permitidos para tener mayor libertad de transmitir endiferentes ubicaciones y poder ubicarse en un número más grande de frecuencias.

6.2 Implementación de la aplicación en Bing Maps 59

El enfoque de la bases de datos diseñada para esta aplicación de gestión dinámica del espectroconsiste en:

Una base de datos de gestión de espacios en blanco que incluye ubicaciones, contornos y elregistro y la autorización de usuarios para el uso de dispositivos de espacios en blanco.Dinamismo para la consulta de canales y estaciones disponibles para que un usuario registradoy licenciado pueda instalar uno o n dispositivos para su uso personal o privado.Los dispositivos que serán usados por los usuarios para la irradiación o transmisión en espacioen blanco.

El funcionamiento de la aplicación se resume en los siguientes pasos:

1. El usuario de un dispositivo de espacios en blanco solicita acceso a la base de datos paraexaminar la ubicación de antenas y canales disponibles en el territorio colombiano.

2. El usuario se registra en la aplicación y se le da acceso a consultar canales y contornosdisponibles dentro del mapa.

3. El usuario puede hacer una solicitud para canales en los espacios en blanco disponibles,aguardando por el licenciamiento oficial por parte de la ANE (Asociación Nacional delEspectro) para su respectiva autorización para irradiación o transmisión con sus dispositivosde White Spaces.

4. Una vez autorizado y licenciado por dicha entidad, los canales disponibles son asignadosy autorizados para que el usuario instale su(s) dispositivo(s) White Spaces para iniciar sutransmisión o irradiación.

6.2 Implementación de la aplicación en Bing MapsLos resultados de la adaptación de la base de datos de White Space a Bing Maps y el desarrollo

del ambiente de prueba se muestra a continuación.

6.2.1 Usuario AnónimoEl usuario anonimo es un usuario que no ha ingresado al sistema, es un usuario cualquiera de

internet. Las funciones que puede realizar el usuario anónimo son:Visualizar el Mapa (Ver figura 6.1).Utilizar el módulo de búsqueda para ver si en un punto determinado hay canales disponibles uocupados. Se debe aclarar que el usuario anónimo no puede ver los contornos de los canalesen dicho punto (Ver figura 6.2).Buscar una ubicación por un nombre en especifico (Ver figura 6.3). Tenga en cuenta que todoslos roles de usuario pueden acceder a esta función.Buscar por latitud y longitud determinada (Ver figura 6.4). Igualmente, todos los roles deusuario pueden acceder a esta función.Cambiar de idioma, inglés a español y viceversa (Ver figura 6.5). Todos los roles de usuariopueden acceder a esta función.Modulo de membresía y manejo de usuario: Ingresar al sistema Log in (Ver figura 6.6).Modulo de membresía y manejo de usuario: Registrarse al sistema (Ver figura 6.7). Una vezregistrado llega al rol de usuario no autorizado.

60 Capítulo 6. Desarrollo del Gestor White Spaces

Figura 6.1: Función Visualizar Mapa.

Figura 6.2: Función Módulo de Búsqueda

6.2.2 Usuario Registrado y Licenciado

Las funciones de un usuario autorizado son las siguientes:

Función visualizar mapa: Ver todos los contornos de todos los canales y la ubicación de lasestaciones base (Ver figura 6.8).Función visualizar mapa: Ver contornos de un canal en específico (Ver figura 6.9).Función visualizar mapa: Ver el radio de propagación de un dispositivo, dependiendo de sumarca, modelo, y canal. Determinar si ese radio de propagación no se intersecta con ningúncontorno y se puede registrar un dispositivo en esa ubicación (Ver figura 6.10).Función registrar un dispositivo en una ubicación dada, (ver figura 6.11)..Función establecer la fecha de uso de un dispositivo y el precio estimado. Esto corresponde ala facturación (ver figura 6.12).Registrar un dispositivo sin ninguna ubicación en especifico. Este dispositivo queda comoinactivo y pendiente de aprobación, (ver figura 6.13).


Figura 6.3: Función Buscar Ubicación usando un nombre específico.

Figura 6.4: Función Buscar Ubicación por coordenadas geográficas

Lista los dispositivos del usuario, y el estado de los mismos, puede ubicar dispositivos que noestén ubicados y puede pagar dispositivos que estén aprobados, para posteriormente activarlos(ver figura 6.14).


Figura 6.5: Función Cambiar Idioma

Figura 6.6: Función de Membresía: Log In

6.2.3 Usuario AdministradorEl usuario Administrador puede ejecutar las siguientes funciones:

Visualizar el mapa Ver el mapa con todos los contornos y los dispositivos de los usuarios con susrespectivos radios de propagación (Ver figura 6.15) .

Listar y administrar los usuarios de la aplicación: Lista los usuarios actuales del sistema, puedeautorizar o desautorizar un usuario para el uso del sistema (Ver figura 6.16).

Listar y administrar los dispositivos de un usuario especifico: Lista los dispositivos de un usuariodeterminado, y puede administrar los dispositivos: Aprobando o desaprobando los dispositivospara su operación; o activando y desactivando los dispositivos que se encuentren aprobados(Ver figura 6.17).


Figura 6.7: Función de Membresía: Registro de Usuario Nuevo

Figura 6.8: Función ver contornos y ubicación de estaciones base.

Figura 6.9: Función ver contornos de un canal específico.


Figura 6.10: Función ver radio de propagación e intersecciones.

Figura 6.11: Función Registrar un dispositivo con ubicación.

Figura 6.12: Función de Facturación.


Figura 6.13: Función Registrar dispositivo sin ubicación.

Figura 6.14: Función Listar Dispositivos.

Figura 6.15: Mapa del usuario administrativo


Figura 6.16: Listar Usuarios

Figura 6.17: Listar dispositivos del usuario

Conclusiones

Se desarrolló un sistema de Gestión Espectral para la banda de de 3.3 a 3.7 GHz basado en dossub-sistemas: Un usuario Cognitivo y un Centro de Fusión. Los resultados de investigaciones enRadio Cognitiva en la literatura científica moderna, pueden ser usados para la implementaciónde sistemas prácticos para gestión espectral. El sistema desarrollado fue diseñado con base enconceptos tales como: El ciclo cognitivo, el radio definido por software, el spectrum broker,el motor cognitivo, entre otros. Con este proyecto se muestra que es posible aplicar estosconceptos a sistemas reales.

El desarrollo de un modelo adecuado de canal para analizar la propagación de las señales enuna banda seleccionada, debe tener un fundamento teórico y una validación experimental. Eneste proyecto el modelo de canal se formuló con base en modelos teórico - prácticos existentesen la literatura y se valido con una campaña de medidas realizadas en el campus de la UPB.Los resultados que se obtuvieron al comparar las variables de desvanecimiento obtenidas conlas medidas tomadas y la variables calculadas o reportadas en artículos científicos, fueronsatisfactorios, dando un error mínimo. De esta forma se pudo establecer un modelo confiablede propagación, que fue usado para que el sistema de gestión de espectro desarrollado fueraadecuado para las bandas seleccionadas.

Se mostró que el usuario cognitivo puede ser implementado en un radio configurable oSDR, donde es posible programar algoritmos de sensado espectral y adaptarse a un canal decomunicación específico.

Para una adecuada asignación espectral a radios configurables que deseen ocupar porciones delespectro vacantes, es adecuado implementar un sistema centralizado y cooperativo de gestiónespectral. El colocar un servidor de cómputo como interfaz entre los radios a configurar y elsistema inteligente de gestión, mejora las prestaciones del sistema, quitándole funciones dealmacenamiento a gestor, haciendo mejorar así su desempeño. Además, el usar un servidor,


permite la futura escalabilidad del sistema, pudiendo así conectar varios gestores espectrales aun servidor que clasifique y almacene la información de cada gestor.

Los algoritmos mas importantes en el diseño de un sistema de gestión espectral son el algoritmode sensado y el algoritmo de asignación.

Se desarrolló un sistema de gestión espectral para white spaces en la banda usada paratelevisión, usando una base de datos entregada por la ANE, con base en aplicaciones existentes,pero con un diseño propio. Con este sistema, la ANE podrá proponer al gobierno nacional, unaplataforma completa para poder ofrecer servicios para asignar estos white spaces a entidadesinteresadas en usar los espacios espectrales vacantes, bajo una plataforma accesible y clara.Esto constituye un gran avance en los servicios que la ANE presta al país en supervisiónespectral y en desarrollo de aplicaciones e investigación en este campo.

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A. Anexo 1: Código Fuente

A continuación se coloca el código fuente correspondiente a la programación en Phyton delusuario cognitivo y del Motor cognitivo del Centro de Fusión.

#!/usr/bin/env python2

# -*- coding: utf-8 -*-

##################################################.

# GNU Radio Python Flow Graph.

# Title: Sensor.

# Generated: Mon Oct 10 08:44:07 2016.

##################################################.

if __name__ == ’__main__’:

import ctypes

import sys

if sys.platform.startswith(’linux’):

try:

x11 = ctypes.cdll.LoadLibrary(’libX11.so’)

x11.XInitThreads()

except:

print "Warning: failed to XInitThreads()"

from PyQt4 import Qt

from gnuradio import eng_notation

from gnuradio import gr

from gnuradio import qtgui

from gnuradio import uhd

73

from gnuradio.eng_option import eng_option

from gnuradio.filter import firdes

from optparse import OptionParser

import sip

import sys

import time

import zmq

import socket

import biblioteca

import thread

#import scipy

#import matplotlib.pyplot as pt

import numpy

import pickle

import json

num_bandas=1

class sensor(gr.top_block, Qt.QWidget):

def __init__(self,options):

gr.top_block.__init__(self, "Sensor")

Qt.QWidget.__init__(self)

self.setWindowTitle("Sensor")

try:

self.setWindowIcon(Qt.QIcon.fromTheme(’gnuradio-grc’))

except:

pass

self.top_scroll_layout = Qt.QVBoxLayout()

self.options=options

print self.options

self.setLayout(self.top_scroll_layout)

self.top_scroll = Qt.QScrollArea()

self.top_scroll.setFrameStyle(Qt.QFrame.NoFrame)

self.top_scroll_layout.addWidget(self.top_scroll)

self.top_scroll.setWidgetResizable(True)

self.top_widget = Qt.QWidget()

self.top_scroll.setWidget(self.top_widget)

self.top_layout = Qt.QVBoxLayout(self.top_widget)

self.top_grid_layout = Qt.QGridLayout()

74 Capítulo A. Anexo 1: Código Fuente

self.top_layout.addLayout(self.top_grid_layout)

self.settings = Qt.QSettings("GNU Radio", "sensor")self.restoreGeometry(self.settings.value("geometry").toByteArray())

#identificar la direccion IP del host que maneja el radios = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)s.connect((self.options.centrofusion,5555))external_addr = s.getsockname()[0]s.close()self.ip_address = external_addr

#PRUEBA DE CONEXIÓN INICIALself.context = zmq.Context()

# Socket to talk to serverprint(ÇONECTANDO AL SERVIDOR")self.socket = self.context.socket(zmq.REQ)self.socket.connect("tcp://-self.options.centrofusion+":5555")

################################################### Variables##################################################self.samp_rate = samp_rate = 8e6self.registrar = registrar = 0self.registrado = registrado = "no registro"self.pedir = pedir = 0self.msjrx = msjrx =self.mensaje = mensaje = "1"self.estado = estado = "0"self.banda = banda = "None"

print ("la direccion ip local es:%s"% self.ip_address)

################################################### Blocks##################################################self.uhd_usrp_source_0 = uhd.usrp_source(",".join((, )),uhd.stream_args(cpu_format="fc32",channels=range(1),),) self.uhd_usrp_source_0.set_samp_rate(samp_rate)

75

self.uhd_usrp_source_0.set_center_freq(400e6, 0)

self.uhd_usrp_source_0.set_gain(70, 0)

self.uhd_usrp_source_0.set_antenna(RX2", 0)

_registrar_push_button = Qt.QPushButton(REGISTRAR")

self._registrar_choices = ’Pressed’: 1, ’Released’: 0

_registrar_push_button.pressed.connect(lambda:self.set_registrar(self._registrar_choices[’Pressed’]))

#_registrar_push_button.pressed.connect(lambda: self.registro_sensor())

_registrar_push_button.pressed.connect(lambda: self.solicitud_servicio(self.get_mensaje()))

_registrar_push_button.released.connect(lambda:self.set_registrar(self._registrar_choices[’Released’]))

self.top_grid_layout.addWidget(_registrar_push_button, 4,0,1,1)

self._registrado_tool_bar = Qt.QToolBar(self)

if None:

self._registrado_formatter = None

else:

self._registrado_formatter = lambda x: x

self._registrado_tool_bar.addWidget(Qt.QLabel("status-": "))

self._registrado_label = Qt.QLabel(str(self._registrado_formatter(self.registrado)))

self._registrado_tool_bar.addWidget(self._registrado_label)

self.top_grid_layout.addWidget(self._registrado_tool_bar, 5,4,1,1)

self.qtgui_sink_x_0 = qtgui.sink_c(

1024, #fftsize

firdes.WIN_BLACKMAN_hARRIS, #wintype

0, #fc

samp_rate, #bw

, #name

True, #plotfreq

True, #plotwaterfall

True, #plottime

True, #plotconst

)self.qtgui_sink_x_0.set_update_time(1.0/10)

self._qtgui_sink_x_0_win = sip.wrapinstance(self.qtgui_sink_x_0.pyqwidget(), Qt.QWidget)

self.top_grid_layout.addWidget(self._qtgui_sink_x_0_win, 0,0,4,5)

self.qtgui_sink_x_0.enable_rf_freq(False)

_pedir_push_button = Qt.QPushButton("PEDIR ESPECTRO")


self._pedir_choices = ’Pressed’: 1, ’Released’: 0

_pedir_push_button.pressed.connect(lambda: self.set_pedir(self._pedir_choices[’Pressed’]))

_pedir_push_button.pressed.connect(lambda: self.medida())

#_pedir_push_button.pressed.connect(lambda: self.solicitud_servicio(self.get_mensaje()))

_pedir_push_button.released.connect(lambda:self.set_pedir(self._pedir_choices[’Released’]))

self.top_grid_layout.addWidget(_pedir_push_button, 5,0,1,1)

self._msjrx_tool_bar = Qt.QToolBar(self)

if None:

self._msjrx_formatter = None

else:

self._msjrx_formatter = lambda x: x

self._msjrx_tool_bar.addWidget(Qt.QLabel("mensaje recibido-": "))

self._msjrx_label = Qt.QLabel(str(self._msjrx_formatter(self.msjrx)))

self._msjrx_tool_bar.addWidget(self._msjrx_label)

self.top_grid_layout.addWidget(self._msjrx_tool_bar, 7,1,3,1)

self._mensaje_tool_bar = Qt.QToolBar(self)

self._mensaje_tool_bar.addWidget(Qt.QLabel("mensaje-": "))

self._mensaje_line_edit = Qt.QLineEdit(str(self.mensaje))

self._mensaje_tool_bar.addWidget(self._mensaje_line_edit)

self._mensaje_line_edit.returnPressed.connect(

lambda: self.set_mensaje(str(str(self._mensaje_line_edit.text().toAscii()))))

self.top_grid_layout.addWidget(self._mensaje_tool_bar, 6,1,3,1)

self._estado_tool_bar = Qt.QToolBar(self)

if None:

self._estado_formatter = None

else:

self._estado_formatter = lambda x: x

self._estado_tool_bar.addWidget(Qt.QLabel(.estado-": "))

self._estado_label = Qt.QLabel(str(self._estado_formatter(self.estado)))

self._estado_tool_bar.addWidget(self._estado_label)

self.top_grid_layout.addWidget(self._estado_tool_bar, 4,1,3,2)

self._banda_tool_bar = Qt.QToolBar(self)

if None:

self._banda_formatter = None

else:

self._banda_formatter = lambda x: x

77

self._banda_tool_bar.addWidget(Qt.QLabel("banda-": "))

self._banda_label = Qt.QLabel(str(self._banda_formatter(self.banda)))

self._banda_tool_bar.addWidget(self._banda_label)

self.top_grid_layout.addWidget(self._banda_tool_bar, 4,4,1,1)

#self.registro_sensor()

self.mibloque= biblioteca.sampler()

##################################################

# Connections

##################################################

self.connect((self.uhd_usrp_source_0, 0), (self.mibloque, 0))

self.connect((self.mibloque, 0), (self.qtgui_sink_x_0, 0))

def closeEvent(self, event):

self.settings = Qt.QSettings("GNU Radio", "sensor")

self.settings.setValue("geometry", self.saveGeometry())

event.accept()

def get_samp_rate(self):

return self.samp_rate

def set_samp_rate(self, samp_rate):

self.samp_rate = samp_rate

self.qtgui_sink_x_0.set_frequency_range(0, self.samp_rate)

self.uhd_usrp_source_0.set_samp_rate(self.samp_rate)

def get_registrar(self):

return self.registrar

def set_registrar(self, registrar):

self.registrar = registrar

def get_registrado(self):

return self.registrado

def set_registrado(self, registrado):

self.registrado = registrado

Qt.QMetaObject.invokeMethod(self._registrado_label, "setText", Qt.Q_ARG("QString", str(self.registrado)))

def get_pedir(self):

return self.pedir

def set_pedir(self, pedir):

self.pedir = pedir

def get_msjrx(self):


return self.msjrx

def set_msjrx(self, msjrx):

self.msjrx = msjrx

Qt.QMetaObject.invokeMethod(self._msjrx_label, "setText", Qt.Q_ARG("QString", str(self.msjrx)))

def get_mensaje(self):

return self.mensaje

def set_mensaje(self, mensaje):

self.mensaje = mensaje

Qt.QMetaObject.invokeMethod(self._mensaje_line_edit, "setText", Qt.Q_ARG("QString", str(self.mensaje)))

def get_estado(self):

return self.estado

def set_estado(self, estado):

self.estado = estado

Qt.QMetaObject.invokeMethod(self._estado_label, "setText", Qt.Q_ARG("QString", str(self.estado)))

def get_banda(self):

return self.banda

def set_banda(self, banda):

self.banda = banda

Qt.QMetaObject.invokeMethod(self._banda_label, "setText", Qt.Q_ARG("QString", str(self.banda)))

def sensado_espectro(self):

return 0

def get_sensado_espectro(self):

return 0

def set_sensado_espectro(self):

return 0

def solicitud_servicio(self,num_bandas):

print "Solicitando una banda"

self.socket.send(b"sensor pedir_banda - self.options.serial ++self.ip_address++self.options.longitud+"-self.options.latitud++self.options.altitud ++num_bandas)

message = self.socket.recv()

print(Received reply%s"% (message))

return 0

def usar_banda(self):

return 0

def registro_sensor(self):

79

print Registrando el sensor"

self.socket.send(b"sensor registrar - self.options.serial ++self.ip_address++self.options.longitud+"

-self.options.latitud++self.options.altitud)

message = self.socket.recv()

print(Received reply%s"% (message))

if message.split()[0]==.ok":

self.set_registrado(Registrado")

else:

self.set_registrado("Sin registrar")

return 0

def medida(self):

print ïnicio medida"

stream_cmd = uhd.stream_cmd(uhd.stream_cmd_t.STREAM_MODE_NUM_SAMPS_AND_DONE)

stream_cmd.num_samps = 2000

stream_cmd.stream_now = False

tiempo = self.uhd_usrp_source_0.get_time_now()

print str(tiempo.get_real_secs())

stream_cmd.time_spec = tiempo+uhd.time_spec_t(0.2)

self.uhd_usrp_source_0.issue_stream_cmd(stream_cmd)

time.sleep((float(tiempo.get_real_secs())+0.4)

-float(self.uhd_usrp_source_0.get_time_now().get_real_secs()))

print (b"nMUESTRAS:%s"%(self.mibloque.muestras))

print (b"nCANTIDAD DE MUESTRAS:%s"%(len(self.mibloque.muestras)))

print (b"nTRANSFORMADA DE FOURIER:%s "%(self.mibloque.espectro))

print (b"nTRANSFORMADA DE FOURIER (abs):%s "%(self.mibloque.abs))

print (b"nMUESTRAS POR CANAL:%s"%(self.mibloque.muestras_canal))

print (b"nPISO DE RUIDO:%s"%(self.mibloque.piso_ruido))

print (b"nOCUPACIÓN DE CANALES:%s"%(self.mibloque.canales))

self.enviar_fft()

#pt.plot((self.mibloque.abs))

#pt.show()


def enviar_fft(self):#SEÑALES NO NORMALIZADASprint .enviando medidas"self.socket.send(b"sensor envio_medidas - self.options.serial ++self.ip_address++self.options.longitud+"-self.options.latitud++self.options.altitud++(str(self.mibloque.abs))+"-(str(self.mibloque.canales)))message = self.socket.recv()print(Received reply%s"% (message))

def parse_options():.Options parser. "parser= OptionParser(option_class=eng_option, usage="%prog: [options]")parser.add_option(s", -serial", type="string", default="ff4526", help="serial del dispositivo")parser.add_option(x", -longitud", type="string", default=75.590379", help="longitud wgs84")parser.add_option(y", -latitud", type="string", default="6.241007", help="latitud wgs84")parser.add_option(z", -altitud", type="string", default="1450", help="latitud wgs84")parser.add_option(c", -centrofusion", type="string", default="localhost", help="direccion ip del

servidor")(options, args)= parser.parse_args()return options

def main(top_block_cls=sensor, options=None):

from distutils.version import StrictVersionif StrictVersion(Qt.qVersion()) >= StrictVersion("4.5.0"):style = gr.prefs().get_string(’qtgui’, ’style’, ’raster’) Qt.QApplication.setGraphicsSystem(style)

qapp = Qt.QApplication(sys.argv)

options=parse_options()tb = top_block_cls(options)tb.options.serial=tb.uhd_usrp_source_0.get_usrp_info().vals()[2]tb.registro_sensor()tb.start() tb.uhd_usrp_source_0.stop()

tb.show()

def quitting():tb.stop()tb.wait()qapp.connect(qapp, Qt.SIGNAL(.aboutToQuit()"), quitting)qapp.exec_()

if __name__ == ’__main__’:

81

main()

B. Anexo 2: Diagramación del sistema WS

A continuación se muestra la diagramación final de la base de datos de la aplicación de gestiónde White Spaces.

83

Figura B.1: Diagramación de la base de datos

C. Anexo 3: Pasos para Ejecutar el Sistema

Paso 1.

Primero hacer doble click en el script, esto abrirá automáticamente SQL Server ManagmentStudio (Ver Figura C.1).

Figura C.1: Abrir SQL Server Managment Studio

Luego ejecute el script, este creará automáticamente la base de datos, con los datos de prueba(Ver Figura C.2).

85

Figura C.2: Creación de base de datos

Paso 2.

Se debe configurar la conexión a la base de datos. En el archivo Web.config que se encuentra enla raíz del proyecto, edite la línea connectionString cambiando el Nombre del ServidorSQL por elnombre de su servidor SQL actual (Ver Figura C.3). Luego guarde los cambios.

Figura C.3: Configuración de conexión de base de datos

Paso 3.

Se procede a configurar las credenciales de sendgrid para el envío automatizado de e-mails.Primero Cree una cuenta de sengrid, en sengrid.com, y luego ingrese su usuario y contraseña en elarchivo Web.config en la etiqueta emailServiceUserName ingrese su usuario, emailServicePasswordingrese su password, (Ver Figura C.4).

Figura C.4: Usuario y Contraseña

Paso 4.

Configurar la API-KEY de Bing maps. Cree una cuenta de desarrollador en bing, compre opruebe una Api-key de bing maps. Una vez obtenida la Api-Key de bing maps, cópiela y péguela, entodos los archivos en dónde vea esta sección de código mostrado en la Figura C.5. Los archivos amodificar son:

Default.aspxRegistrarDispU.aspxFacturarDispU.aspx

Una vez realizada esta configuración, el sistema queda listo para ejecutarse.

Notas Adicionales.

Es necesario tener un certificado SSL firmado por una CA, para que no se generen errores decertificado no confiable.Es necesario tener habilitado el puerto 44339 para la conexión de prueba al sistema.

86 Capítulo C. Anexo 3: Pasos para Ejecutar el Sistema

Figura C.5: Código

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Diseño de un Sistema de Gestión de Espectro de Radio en ... · PDF fileDiseño de un Sistema de Gestión de Espectro de Radio en Bandas Licenciadas PRESENTADO ANTE: Agencia Nacional