Radio Cognitiva: Oportunidades
y Retos para Colombia
Agenda
• EL concepto general de CR
• Radio software (SDR)
• Motivación de la CR desde la Gestión de
Espectro
• Modelos de negocio de CR
• Retos de CR
• Proyecto CORAGE – Uso de White
Spaces
EL CONCEPTO CR
• Según la FCC, un dispositivo CR es un
sistema de radiofrecuencia capaz de
variar sus parámetros de transmisión
basándose en su interacción con el
entorno en el que opera.
Aguilar Rentería, Julio Héctor; Navarro Cadavid, Andrés . Radio cognitiva - Estado del arte. En: SISTEMAS & TELEMATICA,
Vol. 9 No. 16, Enero/Marzo 2011, 31-53
EL CONCEPTO CR
• Según el criterio anterior, las dos características principales de un CR son:
1. Capacidad cognitiva: Tecnología necesaria para capturar la información de su entorno de radiofrecuencia, identificando así las partes del espectro que no estén siendo utilizadas.
2. Autoreconfiguracion: Tecnología necesaria para que el dispositivo pueda variar dinámicamente distintos parámetros relacionados con la transmisión o recepción (frecuencia, potencia, modulación, etc.), de acuerdo con su entorno.
Mitola Radio
• “Cognitive Radio is a radio that employs
model based reasoning to achieve a
specified level of competence in radio-
related domains”.
Mitola Radio
• “The point in which wireless personal
digital assistants and the related networks
are sufficiently computationally
intelligent about radio resources and
related computer-to-computer
communications to detect user
communications needs as a function of
use context, and to provide radio
resources and wire less services most
appropriate to those needs”
¿Qué es un Radio Cognitivo?
• Un sistema inteligente de comunicaciones inalámbricas
• Basado en tecnología SDR
– Reconfigurable
– De funcionalidad ágil
• Conciente de su ambiente (Awareness)
– Ocupación del Espectro
– Tráfico de la red
– Calidad de Transmisión
• Aprende de su ambiente y se adapta a nuevos
escenarios, basado en la experiencia previa (Machine
Learning)
“Cognitive Radio Communications and Networks: Principles and Practice”
By A. M. Wyglinski, M. Nekovee, Y. T. Hou (Elsevier, December 2009)
Radio Software
• Según un NPRM* de la FCC: “Vemos los Radios Definidos por Software como el resultado de un proceso evolutivo desde los equipos totalmente basados en hardware hasta los equipos totalmente basados en software.En este sentido el proceso se puede describir en tres etapas.
1. Radios basados en Hardware: Frecuencias de transmisión,
modulación y otros parámetros de radio frecuencia están
construidos por hardware no se pueden cambiar sin cambiar el
hardware..
2. Radios Digitales: Un radio digital ejecuta parte del
procesado de señal o la transmisión digitalmente, pero no se
puede reprogramar en campo.
3. Software Defined Radios:. TODAS las funciones, modos y
aplicaciones se pueden configurar y reconfigurar por software.
*Notice of Proposed Rule Making (NPRM) 8/12/00
Radio Software
• El término SR (Software Radio) fue
acuñado por Joseph Mitola III en el año
1991 para referirse a un tipo de radios
reprogramables o reconfigurables,
equipos donde un mismo elemento de
hardware es capaz de realizar diferentes
funciones, en distintos instantes de
tiempo, con la introducción de cambios en
su configuración mediante software Y. Yuan, et al. KNOWS: Kognitiv Networking Over White Spaces. En: Proceedings of 2nd IEEE International
Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks (DySPAN 2007), abril 17-20 de 2007. p416-427
Radio Software (Mitola)
• “A Software Radio is a radio whose channel modulations waveforms are defined in software. That is, waveforms are generated as sampled digital signals, converted from digital to analog via wideband DAC (Digital to Analog Converter) and the possibly upconverted from IF (Intermediate Frequency) to RF (Radio Frequency). The receiver, similary, employs a wideband ADC (Analog to Digital Converter) that captures all the channels of the software radio node. The receiver then extracts, downconverts and demodulates the channel waveform using software on a general purpose processor”.
J Mitola, “The Software Radio”, IEEE National Telesystems Conference, 1992
Motivación de la Radio Cognitiva
desde la Gestión del Espectro
Escasez de Espectro
• Estudios con mediciones han mostrado que el espectro está sub-utilizado tanto en tiempo como en frecuencia
Medidas de Espectro en la banda 900 kHz –1 GHz (Lawrence, KS, USA)
Escasez de Espectro
Concepto de Uso dinámico
Se puede
llenar con
usuarios
secundarios
Escasez de Espectro
• Un ejemplo de sub-utilización son los TV
White Spaces
DVB-T Future
DVB-T Actual
61 62 63 64 65 66 67 68 6951 52 53 54 55 56 57 58 5921 22 23 24 25 26 27 28 ...
TV1
TV2 TV3 TV4 TV5 TV6
TV2 TV3
TV1
TV4 TV5 TV6 Digital Dividend
UHF TV Bands (470-872MHz)
Licensed AllocationCognitive operation in white spaces
Caso España, proyecto CORAGE
CR en la gestión del ERE
• Uno de los “impulsores” de la radio
cognitiva es la escasez del espectro.
• Se espera entonces que la CR ayude a
mejorar la eficiencia en el uso del ERE.
Algunas normas de
Referencia
• Eficacia en la Utilización de Espectro (ITU-
R SM.1046-2)
• Factor de Utilización de Espectro
TSBU
Donde:
B es el ancho de banda
S es una superficie (Cobertura)
T es el tiempo de ocupación
Algunas normas de
Referencia
• Eficacia de utilización del espectro
(EUE)
U
MEUE
UMEUE
,
M. Efecto útil del Sistema
U: Factor de Utilización
Algunas normas de
Referencia
• Eficacia relativa de utilización del
espectro (ERE)
P
R
EUE
EUEERE
Algunas normas de
Referencia
• La Spectrum Policy Task Force reconoce los cambios en la tecnología y el profundo impacto de éstos en las políticas de espectro:
– Técnicas mejoradas de acceso pueden mitigar la escasez de espectro
– Métricas de interferencia claramente definidas pueden mejorar la utilización del espectro.
– EL Espectro puede ser parcelado en frecuencia, espacio y tiempo
ET Docket No.02-135
Modelos de Negocio de la CR
¿Cómo se cobra por el uso
dinámico?
Un modelo
Broker de Espectro
Gestor de Asignación
De Espectro
Planeación&Gestión de Red
Red Compuesta •Multiples Redes Celulares
•Broadcast
•WLAN
•etc.
Mo
nit
ore
o y
Co
ntr
ol d
e c
arga
d
e R
ed
de
Acc
eso
Asigna Espectro en ambientes compuestos
Negocia Espectro
GSM
GSM
GSM
GSM
DEC T
UM
TS
WLA N
WLA N
* * *
Frecuencia (No a Escala)
85
0
MH
z
55
0 0
MH
z
Modelos de Negocio
• Modelos de cobro por uso
– ¿Quién cobra?
• Uso secundario vs uso primario
• ¿Cómo se factura?
Retos de la CR
CR Algunos retos
Fuente: Christos Politis. Managing the Radio Spectrum. IEEE VT Magazine, march, 2009
El problema del nodo oculto
Relacion inteligencia
flexibilidad
Fuente: Christos Politis. Managing the Radio Spectrum. IEEE VT Magazine, march, 2009
Retos de Investigacion
• Componentes RF de banda ancha que permitan a los CR cubrir un rango de bandas diferentes
• Capas fisica y MAC flexibles que permitan cambiar parametros como modulación y codificacción según el espectro que encuentren libre
• Inteligencia para determinar en forma autónoma a qué espectro acceder
• Funcionalidades adicionales como conciencia de la localización (o el entorno) como parte de los mecanismos para evitar interferencias
CORAGE: Cognitive Radio for
OFDMA-based Systems in
Emergency Scenarios
Uso de WhiteSpaces
Proyecto CORAGE
Proyecto financiado por el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio de
España (Proyecto Avanza I+D ID: TSI-020100-2009-653)
Motivación del proyecto
• Rapid development/deployment of mobile
communication systems
– Increased spectrum demand
• Fixed Spectrum Access (FSA) inefficient
• Cognitive Radio (CR): Dynamic Spectrum
Access (DSA)
– Spectrum sharing between licensed &
unlicensed users
• Digital dividend offers the opportunity to
efficiently exploit spectrum
– OFDMA provides flexible spectrum operation
Oportunidades
de Espectro
Identificación de Frecuencias
Dividendo Digital y usos de la banda UHF
• Banda UHF
– Difusión de TV en 470-862 MHz
• Oportunidades en el Dividendo Digital
– Espectro descartable creado por la transición de TV analoga->digital
– Nuevas Atribuciones de frecuencias
• Ej Dedicar la banda 790-862MHz para sistemas IMT
• Permitir el uso de white spaces por dispositivos cognitivos
DVB-T Future
DVB-T Actual
61 62 63 64 65 66 67 68 6951 52 53 54 55 56 57 58 5921 22 23 24 25 26 27 28 ...
TV1
TV2 TV3 TV4 TV5 TV6
TV2 TV3
TV1
TV4 TV5 TV6 Digital Dividend
UHF TV Bands (470-872MHz)
Licensed AllocationCognitive operation in white spaces
Vista Funcional
IMS- Session Control
Services
Internet PSTN-MobNets Emergency and Security Nets.
TETRA RAN
TETRA CN
TETRAterminals
TETRA-IMS Gateway
LTEterminals
CORAGE (LTE) RAN
LTE ePCOAM (LTE)
Cognitive Radio Control
CORAGEterminals
- LTE- TETRA DMO- Wi-fi DMO- Cognitive Beacon DVB
• Redes TETRA legacy
• LTE CORAGE RAN
• Emisión DVB de espectro disponible
• Terminales CORAGE con conectividad mejorada
• Control de sesión convergente IMS
Retos y oportunidades
Oportunidades
• Aprovechamiento del Dividendo Digital
• Banda Ancha rural en Espacios en Blanco
(IEEE 802.22)
• Nuevos desarrollos
• Nuevos usos para Seguridad y
Emergencias
Retos
• Actualizar la regulación
– El tema de los espacios en blanco está
regulado en USA y Europa hace algún tiempo
• Identificar oportunidades de uso en
diferentes regiones
• Realizar estudios sobre la tecnología en
nuestro contexto
GRACIAS