Cuprins

Capitolul 1

Introducere.....................................................................................................................................3

Capitolul 2

Tehnica Sistemelor Radio Cognitiv..............................................................................................6

2.1 Definirea tehnicii Radio Cognitiv............................................................................ 7

2.1.1 Arhitectura fizică a radioului cognitiv ----------------------------------------------- 9

2.1.2 Capacitatea Cognitivă -----------------------------------------------------------------12

2.1.3 Reconfigurabilitatea -------------------------------------------------------------------13

2.2 Arhitectura rețelei de nouă generație ..................................................................... 14

2.2.1 Reţeaua de generaţie nouă în banda licenţiată -------------------------------------17

2.2.2 Reţeaua de generaţie nouă în banda nelicenţiată ----------------------------------18

2.3 Evoluția sistemului radio cognitiv ......................................................................... 19

2.3.1 Radio definit prin software (SDR)---------------------------------------------------19

2.3.2 Trecerea la Radio Cognitiv -----------------------------------------------------------19

2.3.3 Spectru radio comun -------------------------------------------------------------------19

2.4 Modele Radio Cognitiv.......................................................................................... 21

2.4.1 Modele cu interferență cunoscută----------------------------------------------------21

2.4.2 Modele cu întrețesere (evitare a interferenței) -------------------------------------23

2.4.2.1 Modelul dublei stări.................................................................................. 23

2.4.3 Tehnici de bandă îngustă --------------------------------------------------------------26

2.4.3.1 Salt de Frecvență (Frequency Hopping):.................................................. 26

2.4.3.2 Urmărirea Frecvenței (Frequency Tracking):........................................... 26

2.4.4 Tehnici de bandă largă-----------------------------------------------------------------28

2.4.4.1 Codarea Frecvenței (Frequency Coding): ................................................ 28

Capitolul 3

Funcţiile Sistemelor Radio Cognitiv ..........................................................................................29

3. 1 Managementul Spectrului ..................................................................................... 29

3.1.1 Analiza spectrală -------------------------------------------------------------------------29

3.1.2 Decizia spectrală ----------------------------------------------------------------------31

2

3.1.3 Provocările managementului spectral------------------------------------------------32

3.2 Mobilitatea spectrală.............................................................................................. 33

3.2.1 Spectrul de transfer al unei transmisiuni de pe un canal pe altul ---------------34

3.2.2 Provocările mobilităţii spectrului în reţele de generaţie nouă ------------------35

3.3 Împărţirea spectrală .............................................................................................. 36

3.3.1 Tehnici folosite pentru împărţirea spectrului -----------------------------------------37

3.3.2 Împărţirea spectrală Inter-Reţea--------------------------------------------------------39

3.3.1.1 Împărţirea spectrală centralizată inter-reţea ............................................. 39

3.3.1.2 Împărţirea spectrală distribuită inter-reţea ............................................... 40

3.3.2 Împărţirea spectrală intra-reţea --------------------------------------------------------41

3.3.2.1 Împărţirea spectrală intra-reţea cooperativă ............................................. 41

3.3.2.2 Împărţirea spectrală intra-reţea non-cooperativă...................................... 42

3.4 Canalul de control comun...................................................................................... 43

Capitolul 4

Detecția spectrală.........................................................................................................................44

4.1 Definirea spectrului disponibil .............................................................................. 44

4.2 Detecția non-cooperativă ....................................................................................... 45

4.2.1 Detectorul de energie ------------------------------------------------------------------46

4.2.2 Detecția filtrului potrivit --------------------------------------------------------------48

4.2.3 Detecția caracteristicilor ciclostaționare --------------------------------------------49

4.2.4 Concluzii --------------------------------------------------------------------------------51

4.3 Detecția cooperativă .............................................................................................. 53

4.3.1 Detecția de bandă largă----------------------------------------------------------------54

4.3.2 Scheme de detecție cooperativă de bandă îngustă cu centru de fuziune -------55

4.3.2.1 Fuziunea cu decizie hard .......................................................................... 57

4.3.2.2 Combinarea rezumatelor statistice (decizia soft) ..................................... 58

Capitolul 5

Rezultate experimentale și concluzii ................................ Eroare! Marcaj în document nedefinit. 5.1 Concluzii finale........................................Eroare! Marcaj în document nedefinit.

Anexe................................................................................... Eroare! Marcaj în document nedefinit.

Listă de termeni și abrevieri .......................................................................................................63

Bibliografie ...................................................................................................................................65

3

Capitolul 1

Introducere

Răspândirea tot mai mare a tehnologiilor wireless a declanșat o cerere uriașă pentru

bandă care este așteptată să crească foarte puternic in viitor. Licențierea spectrului a fost

abordarea tradițională pentru a asigura co-existența diferitelor sisteme wireless. Însă, după

mulți ani de alocare spectrală pentru a satisface cererea tot mai mare, diagrama de frecvențe

alocate arată acum un spectru foarte aglomerat cu majoritatea benzilor de frecvență deja

alocate unor utilizatori licențiați (primari) pentru anumite servicii specifice.

Noile evoluții in tehnologiile fără fir permit azi capacități de download de 1-10Mbps.

În câțiva ani, această capacitate se va extinde la aproape 100Mbps și apoi va evolua către

1Gbps in următoarea decadă. Această abilitate de procesare a datelor la viteze foarte mari va

permite utilizatorilor să gestioneze informații audio, video, foto de înaltă calitate. Însă, este

prevăzut dacă aceste sisteme performante vor fi raspândite, lipsa spectrului adițional va

deveni o limitare serioasă.

Tehnologiile CDMA avansate, cum ar fi HSDPA oferă eficiență spectrală de ordinul

a 1 bit/secundă/Hz. Cu tehnologii OFDM si tehnici MIMO, se prevede o creștere la

aproximativ 3-4 biți/secundă/Hz. Serviciile de voce de astăzi necesită aproximativ 10kbps,

așa ca este ușor de ințeles de ce utilizatorii de date ar putea avea nevoie de 100-1000 de ori

mai multă capacitate decat utilizatorii de voce. Dacă interfețele radio pot fi făcute de 4 ori

mai eficiente decât sunt astăzi, asta înseamnă că va fi nevoie de o crestere de 25-250 de ori a

spectrului disponibil. Există numeroase argumente că aceste sisteme vor fi viabile cu mai

puțin spectru decât această predicție agresivă, este foarte clar că vor fi necesare foarte mari

cantități de spectru adițional.

Desigur, găsirea acestor benzi frecvențiale din spectru reprezintă o provocare

semnificativă. În majoritatea țărilor dezvoltate, cea mai mare parte a spectrului este deja

alocată. În plus, limitările asupra mărimii antenelor si caracteristicile de propagare a undelor

electromagnetice limitează spectrul utilizabil al terminalelor celulare de la câteva sute de

Mhz la aproape 3Ghz. Sistemul radio cognitiv, ca scop al acestei lucrări, își propune să ofere

o posibilă soluție care poate crește dramatic cantitatea de spectru disponibilă operatorilor de

rețele si utilizatorilor individuali.

O intrebare firească ce apare este dacă există loc in acest spectru licențiat pentru a

face loc unor utilizatori ne-licențiați (secundari) fără a întrerupe comunicațiile utilizatorilor

4

primari, licențiați, ai spectrului. În sens larg, termenul de ‚radio cognitiv’ se referă la

diversele soluții la această problemă care caută, să suprapună sau să împletească semnalul

secundar cu cel al utilizatorilor primari ai spectrului în așa manieră încât aceștia să fie cât

mai puțin afectați pe cât posibil.

Ne apropiem oare de limita capacității spectrului radio? Măsurători făcute de către

Comisia Federală pentru Comunicații a guvernului american, FCC, au relevat faptul că la un

moment dat de timp intr-o anumită locație, o parte mare din spectrul atât de dorit este

nefolosit. Acest paradox relevă faptul că neajunsul rezultă din politicile de management

spectral, decât din lipsa fizică a frecvențelor utilizabile. În mod analog față de un sistem

TDMA cu trafic in rafale, benzile de frecvență neocupate sunt inevitabile în cadrul politicii

curente de alocare a spectrului exclusiv utilizatorilor licențiați.

Suprapunerea presupune simultaneitatea între transmisiunile primare și cele

secundare. Premisa pentru aceste sisteme este ca utilizatorii secundari să își poată folosi o

parte din putere pentru transmisiuni secundare, iar restul pentru a asista transmisia primară.

Abordarea prin împletire este bazată pe ideea de comunicație oportunistă. Cu alte

cuvinte există așa-numitele găuri spectrale, sau benzi de frecvență care nu sunt folosite de

utilizatorii licențiați. Aceste găuri se schimbă cu timpul și cu locația geografică, și pot fi

folosite pentru comunicații de catre utilizatorii secundari. În acest fel, utilizarea spectrului

este îmbunătățită de către re-folosirea oportunistă a găurilor spectrale. Astfel, putem defini

un radio cognitiv oportunist ca un sistem de comunicații wireless inteligent care

monitorizează periodic spectrul de radio-frecvență, detectează în mod inteligent ocuparea

diferitelor părți ale spectrului și apoi comunică oportunist și eficient peste aceste găuri

spectrale cu minimă interferență asupra utilizatorilor primari.

Această nouă paradigmă de comunicație poate mări drastic eficiența utilizării

spectrale, și este referită ca rețeaua neXt Generation (xG), sau rețeaua cu acces dinamic la

spectru (DSA). Rețeaua NeXt Generation (xG), dar si rețelele DSA și rețelele radio cognitiv,

vor oferi o bandă largă utilizatorilor mobili prin arhitecturi eterogene fără fir și prin tehnici

de accesare dinamică a spectrului. Utilizarea ineficientă a spectrului existent poate fi

îmbunătățită prin accesarea oportunistă a benzilor licențiate fără a interveni cu utilizatorii

existenți. Rețelele xG, însă, impun diverse provocări de cercetare datorită gamei largi de

spectru disponibil, cât și pentru diversele cerințe de Quality-of-Service (QoS) ale

aplicațiilor. Aceste eterogenitați trebuie tratate dinamic pentru că terminalele mobile se

plimbă prin diferite arhitecturi wireless și printr-o gamă largă de frecvențe radio.

Scopul final al acestor noi soluții este de a crește eficiența spectrală prin utilizarea

unor scheme de alocare a spectrului și de management al resurselor radio mult mai flexibile.

Alături de acesta se dorește și crearea unor mecanisme necesare pentru echilibrarea

5

încărcării rețelei în vederea maximizării capacitații sistemului, pentru optimizarea calității

serviciului și de creștere a eficienței spectrului. În acest fel, utilizatorii mobili vor beneficia

de acestea prin posibilitatea de a accesa serviciile cerute când și unde au nevoie la un cost

convenabil. Viitoarele rețele radio mobile trebuie să se confrunte cu problema de a oferi o

calitate a serviciului ridicată prin suportarea serviciilor multimedia cu mobilitate și eficiență

ridicate, luând in considerare chiar și reducerea resurselor de spectru. Deși mărimea

spectrului de frecvențe limitează fizic capacitatea rețelelor radio, soluțiile efective de

creștere a eficienței spectrale pot optimiza capacitatea disponibilă.

În 2004, comisia federală FCC a propus o notificare care a ivit posibilitatea ca

utilizatori nelicențiați să împrumute temporar benzi de frecvență de la deținatorii licențelor

atâta timp cât nu produc interferență utilizatorului primar.

Dispozitivele care împrumută temporar din spectru fără a cauza interferența sunt

numite radio-uri cognitive. Tehnici de bază ale sistemelor radio cognitiv, cum ar fi

selectarea dinamică de frecvență (DFS), și controlul puterii de transmisie (TPC), există deja

in multe dispozitive nelicențiate. Totuși, pentru a putea ajunge la tot ce promite sistemul

radio cognitiv, sunt necesare multe provocări de design semnificative. Înaintea începerii

comunicațiilor, un radio cognitiv trebuie sa obțină o estimare a densitații spectrale de putere

(PSD) al spectrului radio pentru a putea stabili ce frecvențe sunt in uz si ce frecvențe sunt

disponibile.

Sistemul radio cognitiv, construit pe baza tehnologiei echipamentelor radio definite

prin software (SDR), este conceput ca un sistem inteligent de comunicaţii wireless (fără fir)

conştient de mediul de lucru şi care utilizează metoda de învăţare constructivă pentru a

învăţa de la mediu şi pentru a se adapta la variaţiile statistice ale stimulilor de intrare. Aici

pot fi identificate două obiective principale: realizarea de comunicaţii de înaltă fidelitate

oricând şi oriunde şi utilizarea eficientă a spectrului radio.

Viitorul telecomunicaţiilor se prevede a fi o evoluţie şi o convergenţă către sistemele

de comunicaţii mobile cu reţelele IP, tinzând către disponibilitatea unei varietăţi largi de

servicii noi prin intermediul diverselor Tehnologii de Access Radio (RAT). Pentru a se

materializa această viziune, este strict necesar să se accepte ideea de eterogenitate in

tehnologiile de acces wireless care includ diverse servicii, diverse modele de mobilitate,

diverse performanțe ale rețelelor complexe. Comunicațiile wireless actuale, care sunt în

fruntea evoluției tehnologice, cuprind o multitudine de standarde RAT. Dintre acestea cele

mai des utilizate sunt: GSM, GPRS, UMTS, BRAN, WLAN, DVB, WiMAX, etc. Mai mult,

setul complet de tehnici wireless este in curs de a fi transformat într-o infrastructură globală

de acces wireless numită Dincolo de generația a 3-a (Beyond 3rd Generation, B3G).

6

Capitolul 2

Tehnica Sistemelor Radio Cognitiv

Pentru a înțelege rolul tehnologiei CR, trebuie remarcat că utilizarea oricărei benzi

de frecvențe disponibile se face curând pe baze pur oportuniste, mulți cercetători afirmând

că era alocării fixe a benzilor de frecvențe este la sfârșit. Cu alte cuvinte, un utilizator va

putea folosi orice sector liber din spectru pentru schimbul de informații și va inceta să-l

folosească atunci când un utilizator de bază al acelui sector va iniția o comunicație. Astfel,

tehnologia CR stă la baza a ceea ce se mai numește radio inteligent, radio agil în frecvența

sau radio adaptabil prin sofware, etc. Din aceleași motive, tehnicile CR pot, în multe cazuri,

permite evitarea folosirii cu licență a spectrului care nu este utilizat sau este utilizat foarte

puțin: acest lucru se poate realiza fără a interfera negativ activitațile realizate sub licență.

Evident, utilizatorii de bază încă nu sunt convinși că asemenea interferențe pot fi evitate. Ca

atare, susținătorii proiectului CR trebuie să facă eforturi considerabile pentru a implementa

algoritmi si terminale adecvate cu rezultate convingătoare.

Sistemele radio cognitiv asigură capacitatea de a folosi și împărți spectrul într-o

manieră oportunistă. Tehnicile de acces dinamic al spectrului permit radio-ului cognitiv să

opereze în cel mai bun canal disponibil. Mai specific, tehnologia radio cognitiv va îngădui

utilizatorilor să:

• Determine ce porțiuni ale spectrului sunt disponibile și să detecteze prezența

utilizatorilor primari când un utilizator operează într-o bandă licențiată

(sesizarea spectrului)

• Selecteze cel mai bun canal disponibil (managementul spectrului)

• Coordoneze accesul către acest canal cu alți utilizatori (impărțirea spectrului)

• Eliberarea canalului cand un utilizator licențiat este prezent (mobilitatea

spectrală)

7

2.1 Definirea tehnicii Radio Cognitiv

Tehnica radio cognitiv va oferi mijloacele tehnice necesare pentru determinarea, în

timp real, a celei mai bune benzi şi a celei mai bune frecvenţe astfel încât să se asigure

serviciile dorite de utilizator la orice moment de timp.

Această tehnică este cheia tehnologiei care dă posibilitatea unei reţele xG (next

generation) să utilizeze spectrul într-o manieră dinamică. CR a fost propusă recent pentru a

implementa un anumit tip de inteligenţă care permite unui terminal radio să detecteze

automat, să recunoască şi să utilizeze la scară largă orice spectru sau frecvenţă radio

disponibilă la un anumit moment. Folosind tehnologia CR pot fi concepute reţele radio

cognitive: reţele inteligente care pot detecta automat mediul şi îşi pot adapta corespunzător

parametrii de comunicaţie. Acest tip de reţele, au aplicaţii legate de accesul dinamic la

spectru, co-existenţa diverselor reţele fără fir, managementul interferenţelor, etc. În mod

evident modelul reţelelor radio cognitive prezintă numeroase probleme tehnice legate de

proiectarea protocoalelor, de eficienţa din punct de vedere al de managementul spectrului,

de detecţia spectrului, de garanţiile calităţii serviciilor şi de securitate. Depăşirea acestor

inconveniențe devine şi mai dificilă datorită altor aspecte cum ar fi: politicile neuniforme de

alocare a spectrului şi a altor resurse radio, considerentele economice, efectele negative ale

propagării în legăturile fără fir şi mobilităţii utilizatorilor. Din punctul de vedere al folosirii

tehnicilor radio cognitiv pentru utilizarea eficientă a spectrului RF se disting două situaţii:

• Echipamente radio cognitiv fără licenţă care operează în benzi fără licenţă

• Echipamente radio cognitiv fără licenţă ce operează în benzi cu licenţă

Un rol important în studierea contextului electromagnetic şi în decizia cu privire la

frecvenţele care pot fi utilizate la un anumit moment de timp îl are receptorul. Pentru

construirea unui receptor capabil să-şi asume astfel de sarcini vor trebui utilizate noi

concepte şi arhitecturi.

Termenul de radio cognitiv, poate fi definit astfel: ”Un radio cognitiv este acel

echipament radio care îşi poate modifica parametrii transmiţătorului, bazându-se pe

interacţia cu mediul în care operează”. Plecând de la această definiţie, două principale

caracteristici ale radioului cogntiv au fost definite:

8

-Capacitatea cognitivă: se referă la abilitatea tehnologiei radio de a capta informaţia

din mediul radio. Această capacitate nu poate fi pur şi simplu realizată prin monitorizarea

puterii în unele benzi de frecvenţă de interes, sunt cerute tehnici mult mai sofisticate pentru

a capta variaţiile în timp şi spaţiu ale mediului radio şi a evita interferenţa cu alţi utilizatori.

Prin această capacitate, porţiunile din spectru care sunt nefolosite la un anumit timp şi

locaţie, pot fi identificate. Pot fi selectate, consecvent, cel mai bun spectru şi operaţiile cu

parametrii potriviţi.

-Reconfigurabilitatea: Capacitatea cognitivă furnizează o cunoaştere a gradului de

ocupare a spectrului, pe când reconfigurabilitatea dă posibilitatea radioului de a fi programat

dinamic, în acord cu mediul radio. Mai explicit, radio cognitiv poate fi programat pentru a

transmite şi a recepţiona într-o varietate de frecvenţe şi de a utiliza diferite transmisii

suportate de designul hardware-ului său. Conceptul de radio cognitiv este privit ca o mică

parte a lumii fizice pentru a folosi şi utiliza informaţia mediului. Obiectivul de bază al

radioului cognitiv este de a obţine cel mai bun spectru disponibil prin capacitatea cognitivă

şi reconfigurabilitate, după cum au fost descrise ulterior.

Radio cognitiv oferă posibilitatea folosirii temporare a spectrului neutilizat care se

numeşte gaură în spectru sau spaţiu alb. Dacă această bandă va fi folosită de un utilizator

licenţiat, radio-ul cognitiv se va muta într-un alt spaţiu alb sau va sta în aceeaşi bandă,

alternând nivelul puterii de transmisie sau schema de modulaţie pentru a evita interferența.

Fig. 1 Conceptul de Gaură Spectrală

9

În următoarele secţiuni vom descrie pe larg arhitectura fizică, funcţiile cognitive şi

capacitaţile de reconfigurare ale tehnologiei radio cognitiv.

Echipamentele radio cognitiv au la bază un echipament radio definit software şi

reprezintă un sistem inteligent de comunicaţii fără fir capabil să recunoască mediul şi să

folosească metoda de învăţare constructivă pentru a învăţa de la mediul electromagnetic şi a

se adapta la variaţiile stimulilor de intrare.

2.1.1 Arhitectura fizică a radioului cognitiv

O arhitectură generică a dispozitivelor transmiţător-receptor de radio cognitiv este

arăta în Fig.2.

Fig.2

Principalele componente ale dispozitivelor transmiţător-receptor sunt interfaţa radio

şi unitatea de procesare a benzii. Fiecare componentă poate fi reconfigurată printr-o

magistrală de control pentru a adapta variaţia timpului în mediul de radio cognitiv. În RF

interfaţa radio a semnalului recepţionat este amplificată, mixată şi convertită

analogic/digital. În unitatea de procesare a benzii, semnalul este modulat (demodulat) şi

codat (decodat). Această unitate este similară cu existenţa dispozitivelor transmiţător-

10

receptor. Oricum, noutatea o reprezintă interfaţa radio RF. De acum încolo ne vom ocupa

de interfaţa radio a sistemelor de radio cognitiv.

Caracteristica nouă a dispozitivelor transmiţător-receptor de radio cognitiv este

capacitatea de bandă largă a interfeţei RF. Această funcţie este în strânsă legătură cu

tehnologia hardware a RF cum ar fi antena de bandă largă, amplificatorul de putere şi filtrul

adaptiv. Tehnologia hardware-ul RF trebuie să fie capabilă să facă acordul în fiecare

porţiune a unei benzi largi de frecvenţe. Detecţia spectrului oferă posibilitatea măsurătorilor

în timp real, a informaţiilor spectrului din mediul radio. În general, o arhitectură de bandă

largă a interfeţei radio, pentru radio cognitiv are stuctura prezentată în Fig.3.

Fig.3

Componentele interfeţei radio RF sunt următoarele:

filtru RF : filtrul RF selectează banda dorită, filtrând trece-bandă semnalul recepţionat

RF;

amplificatorul de zgomot scăzut: LNA amplifică semnalul dorit, iar în acelaşi timp

minimizează componenta zgomotului;

mixerul : în cadrul mixerului, semnalul recepţionat este mixat cu frecvenţă RF generată

local şi convertit în banda de bază sau într-o frecvenţă intermediară IR;

11

oscilator de control al tensiunii: VCO generează un semnal la o frecvenţă specifică

pentru o tensiune dată, pentru a se mixa cu semnalul de intrare. Această procedură

converteşte semnalul de intrare în banda de bază sau într-o frecvenţă intermediară;

Phase-Locked Loop (PLL): asigură faptul că un semnal este blocat la o frecvenţă

specificată şi poate fi folosit pentru a genera frecvenţe precise cu o rezoluţie fină;

filtrul de selecţie al canalului: filtrul de selecţie al canalului este folosit pentru a selecta

canalul dorit şi de a rejecta canalele adicente. Există două tipuri de filtre de selecţie a

canalelor. Convertorul de semnal recepţionat direct foloseşte un filtru trece jos pentru

selecţia canalelor. Pe de altă parte, receptorul adoptă un filtru trece bandă;

controlul câştigului automat: AGC menţine câştigul sau nivelul puterii de ieşire a unui

amplificator, constant, sub o gamă largă a nivelelor semnalului de intrare.

În această arhitectură, un semnal de bandă largă recepţionat printr-o interfaţă radio

RF, este modelat de convertorul analog-digital de mare viteză, iar măsurătorile sunt făcute

pentru detecţia utilizatorului de semnal licenţiat. Cu toate acestea, aici există limitări de

implementare/dezvoltare a interfeţei radio. Antena de bandă largă RF, recepţioneză semnal

de la diferiţi transmiţători care operează la diferite nivele de putere, lăţimi de bandă şi

locaţii. Ca rezultat, interfaţa radio RF ar trebui să aibă capacitatea de a detecta un semnal

slab, într-o gamă dinamică. Această capacitate are nevoie de un convertor analog-digital de

mulţi GHz, de rezoluţie mare, care poate fi imposibil de realizat.

Cererea unui convertor analog-digital de mulţi GHz, necesită o gamă dinamică a

semnalului, pentru a fi redus înainte de conversia A-D. Această reducere este îndeplinită

prin filtrarea unor semnale puternice. Atâta timp cât semnalele puternice pot fi localizate

oriunde în gama spectrală largă, sunt necesare pentru reducere, filtre opreşte-banda cu bandă

îngustă de oprire. Altă aproximare este folosirea de antene multiple, pentru ca filtrarea

semnalului să fie făcută în domeniul spaţial şi nu în domeniul frecvenţelor. Antenele

multiple pot recepţiona semnale selectiv, folosind tehnicile beamforming (tehnica de

procesare de semnal pentru formarea semnalului emis sau recepţionat, ajustare a formei de

undă).

După cum am explicat anterior, cheia determinării arhitecturii fizice a radio cognitiv

este acurateţea detecţiei semnalelor slabe, a utilizatorilor licenţiaţi ai unei game spectrale

largi. Deci, implementarea interfeţei radio RF de bandă largă şi a convertorului A-D sunt

principalele probleme ale reţelelor din noua generaţie.

12

2.1.2 Capacitatea Cognitivă

Capacitatea cognitivă al sistemului CR permite interacțiunea în timp real cu mediul

exterior pentru a determina parametrii potriviți pentru comunicație și adaptarea la mediul

radio dinamic. Operațiile necesare pentru adaptarea în spectrul deschis sunt prezentate in

figura 4, care se mai numește și ciclul cognitiv. În această porțiune, voi prezenta un sumar al

celor 3 pași principali ai ciclului cognitiv: sesizarea spectrală, analiza spectrală și decizia

spectrală.

Pașii ciclului cognitiv prezentați in figura 4 sunt după cum urmează:

Fig. 4

• Sesizarea spectrală: Un radio cognitiv monitorizează benzile disponibile din spectru,

procesează informația și detectează găurile spectrale.

13

• Analiza spectrală: Caracteristicile găurilor spectrale ce sunt detectate prin sesizare

spectrală sunt estimate.

• Decizia spectrală: Un radio cognitiv determină rata si modul transmisiunii, dar și

banda folosită pentru transmisiune. Apoi, banda spectrală corespunzătoare este

aleasă in concordanță cu caracteristicile spectrului și parametrii utilizatorului.

Odată ce a fost determinată banda spectrală în care se va opera, comunicația poate

începe in această bandă. Însă, cum mediul radio se schimbă în timp si spațiu, radio-ul

cognitiv va ține cont in permanență de aceste schimbări ale mediului. Dacă banda în uz

devine neutilizabilă, atunci funcția de mobilitate spectrală va permite o transmisiune

neîntreruptă. Orice schimbare a mediului, cum ar fi mobilitatea utilizatorului, variația

traficului, poate declanșa această modificare.

2.1.3 Reconfigurabilitatea

Reconfigurabilitatea reprezintă capacitatea ajustării parametrilor transmisiunii fără a

modifica componente hardware. Această capacitate permite radio-ului cognitiv să se

adapteze usor la mediul radio dinamic. Există mai mulți parametri reconfigurabili care pot fi

încorporați într-un sistem radio cognitiv:

• Frecvența de operare: Un radio cognitiv își poate schimba frecvența de operare.

Bazându-se pe informația primită despre mediul radio, cea mai potrivită frecvență

poate fi determinată și comunicația poate avea loc în mod dinamic pe această

frecvență de operare.

• Modulația: Un radio cognitiv ar trebui sa îsi modifice tipul modulației in

concordanță cu parametrii utilizatorului dar și conform condițiilor canalului. De

exemplu, in cazul aplicațiilor sensibile la întârzieri, rata de transfer este mai

importantă decat rata erorilor. Din această cauză, trebuie aleasă o schemă de

modulație cu o eficiență spectrală mai mare. Analog, pentru aplicații cu sensibilitate

la erori, trebuie aleasă o schemă de modulație cu eroare mică de bit.

• Puterea de transmisiune: Puterea de transmisiune poate fi reconfigurată in limitele

constrângerilor. Controlul asupra puterii permite o configurare dinamică a puterii de

14

transmisie în limitele permise. Dacă o putere mare nu este necesară, sistemul radio

cognitiv va reduce puterea de transmisie la un nivel mai scăzut pentru a permite mai

multor utilizatori sa folosească spectrul și pentru a diminua interferența.

• Tehnologia de comunicații: Un radio cognitiv poate fi folosit și pentru a permite

interoperarea cu diverse sisteme de comunicații

Parametrii de transmisiune ai unui sistem radio cognitiv pot fi reconfigurați nu doar la

începutul transmisiunii dar și in timpul acesteia. Conform caracteristicilor spectrului, acești

parametri pot fi reconfigurați astfel încât radio-ul cognitiv să poată comuta la o nouă bandă

spectrală, parametrii de transmisie și recepție sunt reconfigurați și sunt folosiți parametrii

corespunzători de protocol și scheme de modulație corespunzătoare.

2.2 Arhitectura rețelei de nouă generație

Reţelele de comunicaţii de generaţie nouă, cunoscute şi ca reţele cu acces dinamic în

spectru sau reţele de radio cognitiv vor furniza o lăţime a benzii mare, pentru utilizatorii

mobili prin intermediul arhitecturilor fără fir heterogene şi prin tehnicile de acces dinamic în

spectru. Utilizarea ineficientă a spectrului existent poate fi îmbunătăţită print-un acces

oportunist în banda licenţiată, fără a interfera cu utilizatorii deja existenţi. Aceste reţele de

generaţie nouă, impun o serie de cercetări provocatoare în limitele destul de mari ale

spectrului disponibil, precum şi în cererile pentru aplicaţii ale calităţii serviciilor. Aceste

reţele heterogene trebuie luate şi tratate dinamic, ca nişte terminale mobile, care circulă prin

arhitecturile fără fir şi de-a lungul spectrului disponibil.

Existenţa arhitecturii reţelei fără fir implică heterogenitatea (posibilitatea de a avea

echipamente diferite, în ceea ce implică politica spectrală şi tehnologia comunicaţiilor). Mai

mult de atât, porţiuni din spectrul fără fir sunt deja licenţiate pentru diferite scopuri, în timp

ce alte benzi rămân nelicenţiate. Pentru dezvoltarea protocoalelor de comunicaţii, este

nevoie de o descriere clară a arhitecturii noii generaţii. Pe viitor, în această secţiune vom

considera toate scenariile posibile pentru arhitectura noii generaţii. Componentele

arhitecturii reţelei de generaţie nouă, după cum sunt arătate şi în Fig. 5, pot fi clasificate în

două grupe şi anume: reţeaua primară şi reţeaua de generaţie nouă.

15

Fig.5 Arhitectura reţelei de generaţie nouă

Elementele de bază ale reţelei primare şi de nouă generaţie sunt definite după cum urmează:

Reţeaua primară: o infrastructură existentă a reţelei este în general considerată ca o reţea

primară, care are drept exculsiv pentru o anumită bandă spectrală. Exemplele pot include

cunoscuta reţea celulară şi reţeaua de difuziune TV. Componentele reţelei primare sunt

următoarele:

- utilizatorul primar: utilizatorul primar sau utilizatorul licenţiat, deţine o licenţă pentru a

opera într-o anumită bandă spectrală. Acest acces poate fi controlat numai de staţia de bază

primară şi nu trebuie să fie afectat de operaţiile altor utilizatori nelicenţiaţi. Utilizatorii

primari nu au nevoie de nici o modificare sau de funcţii adiţionale pentru co-existenţa cu

staţiile de bază ale noii generaţii şi nici cu utilizatorii acesteia. .

- staţia de bază primară: staţia de bază primară este o componentă fixă a infastructurii reţelei

care are o licenţă a spectrului, asemănătoare cu sistemul staţiei de bază al dispozitivelor

transmiţător-receptor, al reţelei celulare. În principiu, staţia de bază primară nu are

capabilitate xG, pentru spectrul împărţit cu utilizatorii generaţiei noi. Deci, se poate cere ca

staţia de bază primară să aibă atât protocoalele generaţiei noi, cât şi sistemele vechi, care

16

trebuie menţinute în funcţiune în paralel cu cele noi pentru reţeaua de acces primar a

utilizatorilor generaţiei noi.

Reţeaua de generaţie nouă: reţeaua de nouă generaţie (sau radio cognitiv, reţeaua

spectrului cu acces dinamic, reţeaua secundară sau reţeaua nelicenţiată) nu are licenţă pentru

a opera în banda dorită. Aşadar, accesul spectral este permis doar într-o manieră oportunistă.

Reţeaua de generaţie nouă se poate dezvolta atât ca o reţea cu infrastructură, cât şi ca o reţea

ad-hoc aşa se poate observa şi din Fig. 5.

Componentele unei reţele de generaţie nouă sunt:

- utilizatorul reţelei de generaţie nouă: nu are licenţă spectrală. Datorită acestui fapt,

funcţiile adiţionale vor trebui să împartă banda spectrală licenţiată; .

- staţia de bază a noii reţele: această staţie de bază este o componentă fixă a infrastructurii şi

are posibilităţi de xG. Staţia de bază a noii reţele asigură conexiunea cu un singur sistem

intermediar fără a avea licenţă spectrală. Prin intermediul acestei conexiuni, utilizatorii noii

reţele pot accesa şi alte reţele; .

- brokerul spectrului: brokerul spectrului sau brokerul planificator este o entitate centrală a

reţelei, care are rol în împărţirea resurselor spectrale între diferitele reţele de nouă generaţie.

Acest broker poatre fi conectat la fiecare reţea şi poate servi ca manager al informaţiilor

spectrale, pentru a permite co-existenţa multiplelor reţele de generaţie nouă. Arhitectura de

referinţă a reţelei de generaţie nouă, arătată în Fig. 5 , este formată din două tipuri diferite de

reţele: o reţea primară, cu o infrastructură bazată pe noua generaţie şi o reţea ad-hoc de nouă

generaţie. Noile generaţii de reţele operează într-un mediu spectral mixt, care conţine

ambele benzi şi cea licenţiată şi cea nelicenţiată. Cu toate acestea, utilizatori de noi generaţii

în reţele pot comunica între ei într-o manieră multihop (mai multe sisteme intermediare) sau

accesând staţiile de bază. Deci, în reţelele de generaţie nouă, există trei tipuri diferite de

acces, definite astfel:

accesul în reţelele de generaţie nouă: utilizatorii pot accesa propria staţie de bază, în

ambele benzi spectrale, atât cea licenţiată cât şi în cea nelicenţiată. .

accesul ad-hoc în reţele de generaţie nouă: utilizatorii xG pot comunica cu alţi utilizatori

xG printr-o conexiune ad-hoc, în ambele benzi spectrale. .

accesul în reţeaua primară: utilizatorii pot deasemenea accesa staţia de bază primară, prin

intermediul benzii licenţiate. .

Conform cu arhitectura de referinţă arătată în Fig. 5, mai multe funcţii trebuie să suporte

heterogenitatea în reţelele de generaţie nouă.

17

2.2.1 Reţeaua de generaţie nouă în banda licenţiată

După cum am specificat şi mai sus, există găuri spectrale temporar nefolosite în spectrul

benzii nelicenţiate. Deci, reţeaua de generaţie nouă este reprezentată, astfel încât să se poată

exploata aceste găuri spectrale prin tehnici de comunicaţii cognitive. Această arhitectură este

schiţată în Fig. 6, unde reţeaua de generaţie nouă co-există cu o reţea primară în aceeaşi

locaţie şi în aceeaşi bandă spectrală.

Fig. 6 Reţeaua de generaţie nouă în banda licenţiată

Apar numeroase provocări pentru reţelele de generaţie nouă în banda licenţiată, pe

parcursul existenţei cu utilizatorii primari. Principalul scop al reţelelor de generaţie nouă

este acela de a determina spectrul disponibil cel mai bun, iar funcţiile acestor reţele sunt în

special orientate pe detecţia prezenţei utilizatorilor primari. Capacitatea canalului găurilor

spectrale depinde de interferenţa utilizatorilor primari. Evitarea interferenţei este de fapt cea

mai importantă problemă a acestei arhitecturi. Mai mult decât atât, dacă apar utilizatori

primari în spectrul ocupat de utilizatorii reţelei de generaţie nouă, aceştia din urmă trebuie să

lase vacant spectrul şi să se mute într-unul liber la acel moment, numit spectru de transfer al

unei transmisiuni de pe un canal pe altul.

18

2.2.2 Reţeaua de generaţie nouă în banda nelicenţiată

Politica de spectru deschis care a apărut în banda ISM, a cauzat o impresionantă

varietate de tehnologii importante şi de utilizatori inovatori. Oricum, datorită interferenţei

dintre multiplele reţele heterogene, eficienţa spectrală a benzii ISM este în scădere. În

ultimul timp, capacitatea accesului în spectrul deschis şi calitatea serviciilor pe care aceasta

îl oferă, depinde de felul în care un radio este proiectat să aloce spectrul eficient. Reţelele de

generaţie nouă sunt destinate pentru operaţii în banda nelicenţiată, iar eficienţa este

îmbunătăţită în această porţiune de spectru. Arhitectura unei reţele de generaţie nouă este

prezentată în Fig. 7 . Atâta timp cât nu există ocupanţi ai benzii, licenţiaţi, toate entităţile

reţelei au acelaşi drept de acces la banda spectrală. Algoritmiii de împărţire spectrală

inteligenţi pot îmbunătăţii utilizarea eficienţei spectrale şi menţin o calitate a serviciilor

foarte înaltă.

Fig.7 Reţea de generaţie nouă în banda nelicenţiată

În cadrul acestei arhitecturi utilizatorii reţelei de generaţie nouă îşi îndreaptă atenţia

asupra detecţiei de transmisiuni ai altor utilizatori ai acestei reţele. Spre deosebire de

operaţiile din banda licenţiată spectrul de transfer al unei transmisiuni de pe un canal pe altul

nu este declanşat de apariţia altor utilizatori primari. Oricum, atâta timp cât toţi utilizatorii

reţelei de generaţie nouă au aceleaşi drepturi de accesare a spectrului, ei ar trebui să se

întreacă între ei pentru un loc în banda nelicenţiată. Astfel, metodele mai noi, sofisticate, de

19

împărţire a spectrului între utilizatori sunt necesare în această arhitectură. Dacă mai mulţi

operatori ai reţelelor de generaţie nouă împart aceeaşi bandă nelicenţiată, este necesară de

asemenea şi o împărţire corectă a acestor reţele.

2.3 Evoluția sistemului radio cognitiv

2.3.1 Radio definit prin software (SDR)

Un radio definit prin software este un radio multi-bandă capabil să suporte diverse

interfețe radio și protocoale prin folosirea antenelor de bandă largă, conversiei de radio-

frecvență, etc. Într-o variantă ideală, toate aspectele radio-ului (incluzând interfața fizică),

sunt definite prin software. Pentru unele interfețe radio, cum ar fi Wideband Code Division

Multiple Access (W-CDMA), această implementare nu ar fi una practică din diverse motive

(ex. consumul de putere).

Cum puterea de procesare avansează, interfețe radio care necesită circuite integrate

specifice pentru aplicații (ASIC), pot fi implementate in procesoare de uz general. Radio-ul

definit prin software (SDR) compromite varianta ideală pentru a putea implementa practic

dispozitive cu performanțe bune și infrastructura cu tehnologia curentă. SDR-urile sunt

implementate cu ajutorul ASIC si FPGA dar și procesoare digitale de semnal (DSP) și

microprocesoare de uz general.

2.3.2 Trecerea la Radio Cognitiv

Mediul exterior oferă stimuli. Radio-ul cognitiv analizează acești stimuli pentru a

recunoaște contextul atributelor sale de comunicație. Radio-ul cognitiv (CR) reprezintă un

cadru de analizare autonomă a mediului radio. Ciclul cognitiv este total diferit de ce există

in terminalele mobile de astăzi, care operează doar in frecvența setată de utilizator, sau

conform cerințelor rețelei. Tehnologia radio cognitiv împuternicește radio-ul pentru a servi

etichete radio mai flexibile decât era posibil în trecut.

2.3.3 Spectru radio comun

În prezent, arhitecturile wireless curente sunt centrate pe rețea și constrânse de

alocarea spectrală. O strategie mai practică, accesibilă prin SDR și radio cognitiv este de a

pune în comun spectrul radio mobil. Stațiile de emisie TV și microundele de 2Ghz sunt

taxate pentru privilegiul de a folosi spectrul radio în mijlocul benzilor mobile. Acest cost ar

20

fi redus în zone rurale, unde spectrul nu este aglomerat, și semnificativ mai mare în zone

dens urbanizate unde nu există destulă bandă pentru a satisface cererea ridicată de

mobilitate. În plus, infrastructura de cablu si fibră optică existente in orașe nu justifică

necesitatea folosirii spectrului radio precum în zonele rurale.

Eticheta radio permite ca radio-ul cognitiv să își schimbe banda și modul de operare

când un utilizator primar începe comunicația in banda respectivă. De asemenea, eticheta

radio specifică prioritizarea traficului de urgență în defavoarea celui comercial. Criteriile

există pentru închirierea spectrului radio pe termen lung. Dar sistemele radio cognitiv ar

putea decide închirierea locală și pe termen scurt a spectrului care nu este în uz în acel

moment, stabilind prețurile ca o funcție de timp, bandă, nivel de interferență, putere radiată

și nu numai. Autoritățile de management spectral pot stabili eventuale etichete și

constrângeri, dar piața va dicta prețurile. CR-ul își va folosi capacitatea de sesizare spectrală

pentru a asigura conformitatea cu eticheta in vigoare.

O astfel de strategie de punere in comun ar fi o metodă eficientă comparativ cu

metoda bazată pe alocare prezentă în ziua de azi și ar rezulta într-o masură economicoasă

pentru a asigura folosirea echitabilă a spectrului în momentele în care acesta este necesar.

Legile fizicii impun limite asupra spectrului care este utilizabil in aplicațiile mobile

terestre. Benzile HF și cele inferioare au o bandă limitată, de ordinul zecilor de kHz. Undele

de HF sunt propagate pe mii de kilometri, o distanță care agravează interferența co-canal.

Benzile de peste 6 Ghz se bazează pe antene direcționale cu rate de transfer rezonabile pe

distanțe rezonabile.

Exista 4 arii principale in spectrul mobil ideale pentru aplicații mobile:

1. Banda foarte joasă, cu frecvențe între 26.9 si 399.9 MHz penetreză clădiri si teren

accidentat

2. Banda joasă, cu frecvențe între 404 si 960 MHz folosită în sistemele celulare, are cea

mai buna propagare pentru trafic mobil terestru de mare viteză, datorită densității

mici a infrastructurii.

3. Banda mijlocie, cu frecvențe intre 1390 si 2483 MHz, este potrivită pentru sisteme

de comunicații personale (PCS), datorită densității ridicate a infrastructurii.

4. Banda înaltă, cu frecvențe între 2483 si 5900 MHz este folosită pentru rețele locale

RF-LAN

21

2.4 Modele Radio Cognitiv

De la introducerea sa, definiția de radio cognitiv a evoluat de-a lungul anilor într-un

radio mai capabil și mai puternic. Prin urmare, astăzi există mai multe interpretări ale

sistemului și diverse previziuni pentru viitorul său. În continuare, voi prezenta câteva din

modelele care au fost propuse pentru sistemele radio cognitiv. Într-o clasificare mai

generală, le putem împarți în: modele cu interferență cunoscută, sau modele cu evitare a

interferenței.

2.4.1 Modele cu interferență cunoscută

Presupunerea definitorie a acestor modele este că transmițătorul secundar (ST) are

cunoștințe a priori (non-cauzale) despre transmisiile utilizatorului primar (PU). Se consideră

următorul scenariu din Fig. 8, unde transmițătorul primar (PT) și transmițătorul secundar

(ST) doresc să comunice în aceiași bandă de frecvențe cu receptorul primar (PR) si respectiv

receptorul secundar (SR). Toate câștigurile canalelor sunt cunoscute atat receptorilor cît și

transmițătorilor.

Fig. 8 Scenariu de comunicații

Presupunea definitorie este ca transmițătorul secundar are cunoștințe despre mesajul

primar W1. Într-un astfel de scenariu, există două strategii pe care transmițătorul secundar le

poate urmări:

22

- Abordarea egoistă. Această abordare implică ca transmițătorul secundar să

folosească toată puterea disponibilă pentru a-și trimite propriul mesaj către

receptorul secundar. Transmițătorul secundar își folosește cunoștintele despre

mesajul primar pentru a anula interferența la receptorul secundar, folosind o tehnică

de codare. Astfel, receptorul secundar este astfel necunoscător de prezența

utilizatorului primar, dupa cum se arată în Fig. 9(a). În timp ce abordarea egoistă

încalcă principiile radio-ului cognitiv de a proteja utilizatorul primar, ea permite un

maxim al capacității de transmisie între utilizatorii secundari.

(a) Abordarea egoistă

Fig. 9: PT și PR reprezintă transmițătorul și receptorul primar, iar ST si SR reprezintă

omologii secundari ai acestora. Linia punctată indică cunoștiințele a priori ale

transmițatorului secundar despre mesajul primar.

- Abordarea altruistă. În cazul acestui scenariu, transmițătorul secundar alocă o parte

din puterea sa de transmisie pentru a retransmite mesajul transmițătorului primar

către receptorul primar. Puterea ramasă este folosită pentru transmiterea mesajului

propriu. Distribuția de putere este calculată astfel încât raportul semnal-zgomot la

receptorul primar să ramană neschimbat cu sau fără utilizatorul secundar. Deci,

utilizatorul primar este practic necunoscător de prezența utilizatorului secundar.

Pentru că are cunoștințe a priori despre mesajul primar, transmițătorul secundar își

poate codifica propriul mesaj pentru a elimina interferența la receptorul secundar.

23

(b) Abordarea altruistă

Aceste modele sunt benefice mai ales când ele caracterizează limitele la care poate

ajunge un sistem radio cognitiv care are acces la informații suplimentare cât si despre tehnici

de codare sofisticate. De asemenea, problema terminalului ascuns este complet evitată, prin

permiterea utilizatorului secundar să transmită simultan în aceiași bandă de frecvențe cu cea

a utilizatorului primar, nu există interferență cauzată utilizatorilor primari cărora le sunt

asignate benzi de frecvență ortogonale.

2.4.2 Modele cu întrețesere (evitare a interferenței)

Modelul cu interferență cunoscută necesită cunoștințe non-cauzale despre

interferență, lucru greu de obținut dacă transmițătorii nu sunt aproape unul de celalalt sau nu

au informații despre codurile folosite. În aceste scenarii, operațiile primare și secundare sunt

concomitente, sunt asociate în mod inevitabil cu interferența la nivelul receptorului

secundar, lucru nedorit. Cea mai bună soluție este de a incerca evitarea acestei interferențe

prin permiterea utilizatorului secundar doar comunicații pe segmente spectrale nefolosite de

radio-urile primare.

2.4.2.1 Modelul dublei stări

Se consideră o situație fictivă a unui sistem radio cognitiv cu o legatură între un

transmițător secundar, ST, și un receptor secundar, SR, situați în prezența a 3 utilizatori

primari, PU, A,B și C ca în figura 10. Regiunile punctate din jurul transmițătorului și

24

receptorului secundar reprezintă regiuni de detecție spectrală; transmisiunile primare pot fi

detectate doar în interiorul acestor regiuni. Transmițătorul cognitiv ST poate decide dacă

utilizatorii primari A și B sunt activi, și poate identifica găuri spectrale dacă atît A cît și B

sunt inactivi. Analog, receptorul cognitiv SR poate decide dacă utilizatorii primari aflați în

zona sa de detecție, B și C sunt activi, și poate identifica găuri spectrale cînd B și C sunt

inactivi. Ca o consecință, găurile spectrale (oportunitățiile de comunicații) detectate de

transmițătorul și receptorul secundar nu sunt identice.

Fig. 10: Model Conceptual. Activitatea spectrală este percepută diferit la transmițătorul

radio secundar (ST) față de receptor (SR). Nodurile marcate cu A,B și C reprezintă

utilizatorii primari (PU) ai spectrului. Cercurile punctate reprezintă zonele de detecție

spectrală corespunzătoare.

25

Modelul conceptual prezentat in Fig. 10 relevă că mediul spectral este distribuit și

dinamic. Aceste caracteristici de bază sunt prezentate după cum urmează:

- Distribuit: Datorită separării fizice dintre transmițătorul si receptorul secundar,

comunicația utilizatorilor primari detectată în vecinătatea transmițătorului cognitiv

diferă de cea detectată în vecinătatea receptorului cognitiv. De asemenea,

transmițătorul secundar nu are automat cunoștiințe despre activitatea din preajma

receptorului. În mod similar, receptorul nu cunoaște activitatea utilizatorilor primari

din jurul transmițătorului. Cu cât separarea dintre transmițătorul si receptorul

secundar este mai mare, cu atât mai puțină este suprapunerea dintre zonele lor de

detecție spectrală și cu atât este mai distribuit mediul spectral, și prin urmare, mai

mare incertitudinea transmițătorului si a receptorului.

- Dinamic: Activitatea utilizatorilor primari este dinamică. În timp, diverși utilizatori

primari pot deveni activi/inactivi în diferite zone ale spectrului. Prin urmare,

activitatea detectată la transmițător și receptor se schimbă în timp. Acest fapt duce la

creșterea incertitudinii la oricare capăt al link-ului asupra oportunitățiilor de

comunicații sesizate la celălalt capăt. Cu cât utilizatorii primari devini mai dinamici,

activitatea spectrală se schimbă mai repede si devine mai greu de prezis.

Modelul conceptual din Fig. 10 poate fi redus la un model matematic cu două stări.

Oportunitățiile de comunicații sesizate la transmițătorul secundar sunt modelate folosind un

comutator St între două stări: H0, H1. Starea transmițătorului este H1 dacă transmițătorul

cognitiv percepe că un utilizator primar este activ. Starea transmițătorului este H0 când nu

este detectat nici un utilizator primar activ. În mod similar, starea receptorului Sr este H0

sau H1 dacă este sau nu detectat un utilizator primar activ în cadrul zonei de detecție

spectrală a receptorului cognitiv.

Starea St este cunoscută doar transmițătorului așa cum starea Sr este cunoscută doar

receptorului. Corelația dintre starea transmițătorului și cea a receptorului este o măsură a

naturii distribuite a sistemului, dacă transmițătorul si receptorul sunt departe unul de celălalt,

cu atât este mai distribuit sistemul și astfel corelația dintre stări este mai mică. Natura

dinamică este dată de frecvența cu care comutatoarele își schimbă starea.

Important de precizat este că, cunoașterea ambelor stări Sr și St caracterizează

complet canalul de comunicații. Totuși, starea St este cunoscută doar transmițătorului și

starea Sr este cunoscută doar receptorului, astfel că transmițătorul și receptorul secundar au

doar cunoștințe parțiale despre disponibilitatea canalului de comunicații.

26

2.4.3 Tehnici de bandă îngustă

Cu un transmițător și un receptor de bandă îngustă, banda de frecvențe folosită

pentru transmisiune poate fi predeterminată sau aleasă dinamic în funcție de ocuparea sa de

către utilizatori primari. Aceasta a permis două tehnici diferite de selecție a frecvenței:

2.4.3.1 Salt de Frecvență (Frequency Hopping):

În schema saltului de frecvență, transmițătorul și receptorul secundar realizează salturi

simultane de frecvență conform unei secvențe predeterminate de salt prezentate in Fig 11(a).

Transmițătorul și receptorul secundar sunt mereu în aceiași bandă de frecvențe: Saltul de

frecvențe reprezintă o schemă foarte simplă deoarece nu se folosește de cunoștințe ale

disponibilității canalelor în prezent sau în trecut. Un exemplu ilustrativ este prezentat în

figura 11(a), care prezintă o schemă de salt între două frecvențe.

În practică, transmisiunile utilizatorilor primari nu sunt în rafale, astfel că benzile de

frecvență care sunt libere într-un anumit slot temporal sunt foarte probabil libere și în

urmatorul slot temporal. În loc să sară de pe frecvența f1 pe frecvența f2 în slotul temporal

η=2 (f2 este ocupată de utilizator primar în slotul temporal η=2) urmărind schema de salt,

perechea transmițător-receptor secundar pot continua să comunice pe f1 (care rămane

neocupată în slotul temporal η=2). Se poate astfel folosi informația despre ocuparea

spectrală a utilizatorului primar pentru a prezice viitoare canale accesibile. Mai multe

oportunități de comunicații înseamnă o capacitate de transmisie mai mare.

2.4.3.2 Urmărirea Frecvenței (Frequency Tracking):

În această schemă, transmițătorul secundar, bazat pe o strategie dată, își alege una (dacă

ea există) din benzile de frecvență libere pentru transmisiune. Receptorul secundar, bazat pe

semnale recepționate în trecut, alege cel mai bun canal de ascultat astfel încât probabilitatea

ca transmițătorul și receptorul să fie pe același canal este maximizată.

Urmărirea frecvenței este departe de modelul convențional de comunicație. În mod

tradițional, receptorul cunoaște banda de frecvențe folosită pentru transmisiune și poate

aștepta pană la sfîrșitul acesteia pentru a decoda mesajul. Însă, în această schemă, receptorul

trebuie să aleagă în timp real pentru a putea fi pe același canal cu transmițătorul. După

fiecare transmisiune, receptorul trebuie să determine dacă fiecare simbol corespunde

scenariului (simbolul transmis este recepționat) sau există o eroare (semnalul recepționat

este independent de simbolul transmis).

27

Figura 11(b) prezintă o schemă simplă de urmărire a frecvenței cu două frecvențe f1 și f2.

Transmițătorul rămane pe același canal (bandă de frecvențe) cât timp este neocupat în timp

ce receptorul încearcă să urmărească frecvența pe care se află transmițătorul. Spre deosebire

de Frequency Hopping, transmițătorul și receptorul cognitiv nu sunt întotdeauna pe același

canal, lucru evidențiat in Fig 11(b).

Fig. 11. Exemple simple ale schemelor de salt și de urmărire a frecvenței între două benzi de

frecvență f1 și f2. Zonele gri reprezintă găuri spectrale atât pentru ST si pentru SR. Zonele

negre indică faptul că frecvența este ocupată de către ST și/sau SR. În Fig 11(b), zonele roșii

indică faptul că SR a greșit în încercarea de a urmări starea transmițătorului în slot-urile

temporale corespunzătoare.

28

2.4.4 Tehnici de bandă largă

2.4.4.1 Codarea Frecvenței (Frequency Coding):

Cu un sistem cognitiv de bandă largă, transmițătorul secundar, transmițătorul secundar

poate transmite pe mai multe frecvențe care sunt detectate ca neocupate, prin trimiterea de

cuvinte de cod pe acele frecvențe. Receptorul monitorizează toate benzile de frecvență care

sunt disponibile la capătul lui. Spre deosebire de Frequency Hopping, schema de codare a

frecvenței necesită ca toate canalele să fie disponibile înainte de fiecare transmisie.

În medii cu activitate primară foarte dinamică, performanțele saltului de frecvență sunt

mai bune decât urmărirea frecvenței pentru sistemele de bandă îngustă. În astfel de scenarii,

beneficiile în creșterea capacității de transmisie prin codarea frecvenței sunt foarte mici. Pe

de altă parte, când utilizatorul primar devine activ/inactiv mult mai rar, atunci urmărirea

frecvenței folosește memoria procesului de ocupare spectrală de către utilizatorii primari si

obține capacități de transmisie mai mari decât în cazul saltului de frecvență.

Sistemele radio cognitiv se referă la diferite soluții pentru a rezolva problema congestiei

și ineficienței spectrului licențiat ce caută să suprapună sau să întrețeasă transmisiuni cu

semnale ale utilizatorilor primari. În tehnica de întrețesere oportunistă, utilizatorii secundari

monitorizează spectrul și navighează prin frecvențe nefolosite. Transmisiunile primare și

secundare simultane în tehnica suprapunerii permit o capacitate de transmisie secundară mai

mare. Însă, acest beneficiu dispare rapid cu cât distanța dintre transmițătorii primari și

secundari crește și datorită dependenței de tehnici complexe de codare cunoscute de către

utilizatorul secundar.

Diversele tehnici de selecție a canalului, cum ar fi saltul de frecvență, urmărirea

frecvenței si codarea acesteia pot fi folosite pentru accesul oportunist la spectru. În timp ce

saltul de frecvență este optim în scenarii unde activitatea utilizatorului primar este profund

dinamică, urmărirea frecvenței aduce beneficii în situații statice. Codarea frecvenței nu are

un avantaj propriu-zis în ceea ce privește creșterea capacității de transmisie a sistemului

cognitiv față de saltul în frecvență, în ciuda cunoașterii non-cauzale a informațiilor despre

găurile spectrale.

29

Capitolul 3

Funcţiile Sistemelor Radio Cognitiv

3. 1 Managementul Spectrului

În reţelele de generaţie nouă, banda neutilizată a spectrului va fi împrăştiată de-a

lungul lărgimii spectrului, acest lucru aplicându-se ambelor benzi şi celei licenţiate cât şi

celei nelicenţiate. Aceste porţiuni ale benzii nefolosite detectate cu ajutorul funcţiei de

sesizare spectrală arată caracteristici diferite în funcţie nu numai de variaţiile în timp ale

mediului radio, cât şi datorită informaţiei benzii, cum ar fi frecvenţa cu care operează sau

lăţimea benzii.

Atâta timp cât toate reţelele de generaţie nouă ar trebui să decidă care este banda

spectrală cea mai bună, adică să îndeplinească cerinţele calităţii serviciilor în toate benzile

disponibile, funcţii noi de management sunt necesare pentru aceste reţele, considerând

caracteristicile dinamice ale spectrului. Aşa cum sesizarea spectrală este o problemă a

nivelului PHY, analiza spectrală precum şi decizia spectrală au legătură cu nivelele

superioare.

3.1.1 Analiza spectrală

În reţelele de generaţie nouă, găurile spectrale existente prezintă caracteristici care

variază în timp. Atâta timp cât utilizatorii acestor reţele sunt echipaţi cu o tehnologie de

nivel fizic bazată pe tehnicile radio cognitiv, este important de înţeles caracteristicile

diferitelor benzi spectrale. Analiza spectrală permite alegerea benzii potrivite pentru

cerinţele utilizatorilor.

Pentru a descrie natura dinamică a reţelelor de generaţii noi, fiecare bandă spectrală ar

trebui să fie caracterizată considerând nu numai mediul radio care variază în timp, cât şi

activităţile utilizatorilor primari şi informaţia spectrală. Deci, este esenţială definirea unor

parametri precum nivelul interferenţei, rata de eroare a canalului, calea pierdută, întârzierea

legăturii dintre nivele şi timpul de ţinere ocupată a benzii, care pot caracteriza calitatea unei

benzi spectrale particulare, astfel:

30

Interferența: anumite benzi spectrale sunt mai aglomerate decât altele. Deci banda spectrală

utilizată determină caracteristicile de interferenţă ale canalului. Din suma de interferenţe ale

utilizatorului primar, poate fi obţinută puterea permisă de un utilizator de generaţie nouă, iar

ea este folosită pentru estimarea capacităţii canalului.

Calea pierdută: pe măsură ce cresc frecvenţele operaţionale, creşte şi posibilitatea căii

pierdute. Dacă puterea de transmisie a unui utilizator de reţea nouă rămâne aceeaşi, atunci

pragul de transmisie scade la frecvenţe joase. Similar, dacă transmisia puterii este crescută

pentru a compensa creşterea căilor pierdute, va rezulta o interferenţă mare pentru ceilalţi

utilizatori.

Erorile legăturiilor fără fir: rata de eroare a canalelor se schimbă, în funcţie de schema de

modulaţie şi de nivelul de interferenţă al benzii.

Întârzierea la nivelul legăturii de date: pentru a se corecta erorile determinate de diferite

fenomene de propagare şi interferenţe, specifice legăturilor fără fir sunt necesare diferite

tipuri de protocoale de legătură între nivele pentru diferitele benzi. Acestea vor determina

creşterea timpului de transmisiune a cadrelor de la nivelul legătură de date.

Timpul de ținere ocupată a benzii: activităţile utilizatorilor primari pot afecta calitatea

canalelor în reţelele de generaţie nouă. Acest timp de ocupare al benzii se referă la durata de

timp aşteptată, în care utilizatorii primari ocupă o bandă licenţiată, înainte de a fi întrerupţi.

Normal, cu cât timpul de utilizare este mai mare, cu atât va fi mai bună şi calitatea. Frecvent,

spectrul de transfer al unei transmisiuni de pe un canal pe altul scade acest timp de ocupare

al benzii şi ar trebui luate în considerare caracteristicile statistice precedente ale acestui

spectru, la crearea de reţele de generaţie nouă, cu un timp de ocupare al benzi preconizat a fi

mare.

Capacitatea canalului care poate fi obţinută din parametrii explicaţi anterior şi este cel

mai important factor al caracterizării spectrale. Uzual, raporul semnal zgomot al receptorului

poate fi utilizat pentru estimarea acestei capacităţi. Oricum, atâta timp cât raportul semnal

zgomot ia în considerare numai observaţiile locale ale utilizatorilor de reţele de generaţie

nouă, este suficient pentru a evita interferenţa cu utilizatorii primari. Deci, caracterizarea

spectrală este axată pe estimarea capacităţii, bazate pe interferenţa asupra receptorilor

licenţiaţi. Modelul temperaturii de interferenţă, poate fi şi el dezvoltat pentru această

abordare. Limita temperaturii de interferenţă indică limita superioară sau plafonul energiei

31

RF care poate fi introdusă într-o anumită bandă. Dacă se foloseşte consecvent totalitatea

interferenţelor permise, se poate determina maximul puterii transmise, permise, a

utilizatorilor de reţele de generaţie nouă.

Există o metodă de estimare a capacităţii spectrale, care ia în considerare lăţimea benzii

şi puterea transmisă permisă. Capacitatea spectrală, poate fi estimată astfel:

)1log(IN

SBC

++= (2)

unde B reprezintă lărgimea benzii, S este puterea semnalului recepţionat de la utilizatorii de

reţele de generaţii noi, N este puterea zgomotului recepţionat, iar I reprezintă puterea

interferenţei recepţionată de receptorii utilizatorilor de reţele noi, datorită transmiţătorilor

primari.

Estimarea capacităţii spectrale a fost investigată şi în contextul sistemelor de radio

cognitiv bazate pe tehnica OFDM. Respectiv, capacitatea spectrală a reţelelor de generaţii

noi bazate pe tehnica OFDM este definită astfel:

∫Ω += dfN

SfGC )

)(1(log

2

1

0

02 (3)

unde Ω este o colecţie a segmentelor de spectru neutilizat, G(f) reprezintă câştigul în putere

al canalului la frecvenţa f, 0S şi 0N sunt puterile semnalului şi zgomotului pe unitatea de

frecvenţă .

Studiile recente asupra analizei spectrale, până acum s-au axat doar pe estimarea

capacităţii spectrale. În afară de capacitate, au o influenţă semnificantă asupra calităţii

serviciilor şi alţi factori cum ar fi întârzierea, rata de eroare a legăturilor, timpul de ocupare a

benzii, ş.a.m.d. Capacitatea este strâns legată de nivelul de interferenţă şi de calea pierdută.

Pentru a decide spectrul potrivit pentru diferitele tipuri de aplicaţii, este o problemă actuală

identificarea benzilor spectrale care combină toate caracteristicile parametrilor descrişi mai

sus.

3.1.2 Decizia spectrală

Odată ce sunt caracterizate toate benzile spectrale disponibile, considerând cerinţele

necesare pentru calitatea sercviciilor şi caracteristicile spectrului, banda operaţională cea mai

potrivită este selectată pentru transmisia curentă. Bazându-se pe necesităţile utilizatorilor,

rata datelor, rata erorilor acceptată, întârzierea, poate fi determinat modul de transmisie.

Apoi, în acord cu regulile deciziei luate, poate fi ales setul de benzi potrivit. S-au definit

32

cinci reguli de decizie, care sunt axate pe costul favorabil al comunicaţiilor . Această metodă

presupune ca toate canalele să aibă o capacitate similară.

Se poate considera un protocol de schimbare oportunistică a benzii de frecvenţe, pentru

căutarea canalului cu o calitate mai bună, unde decizia canalului este bazată pe raportul

semnal zgomot. Pentru a considera activitatea utilizatorului primar, numărul spectrelor de

transfer al unei transmisiuni de pe un canal pe altul, care se produc într-o bandă, este folosit

pentru decizia spectrală. Această decizie constituie o problemă importantă dar încă

neexploatată în reţelele de generaţie nouă.

3.1.3 Provocările managementului spectral

Există câteva probleme care necesită a fi investigate pentru dezvoltarea funcţiilor

deciziei spectrale.

Modelul deciziei: raportul semnal zgomot nu este suficient pentru a caracteriza banda

spectrală din reţelele de generaţii noi. În afara de raportul semnal zgomot, există mai mulţi

parametrii caracteristici care afectează calitatea spectrului. Însă, această combinare a

parametrilor caracteristici necesari pentru modelul deciziei spectrale este încă o problemă

actuală. Mai mult de atât, în reţelele bazate pe tehnica OFDM, pot fi utilizate simultan

pentru transmisie, mai multe benzi spectrale. Pentru aceste motive, ar trebui improvizat un

cadru de decizie pentru multiplele benzi spectrale.

• Decizia pentru benzi multiple: în reţelele de generaţie nouă, multiplele benzi spectrale pot

fi utilizate simultan pentru transmisie. Mai mult, aceste reţele nu necesită ca aceste benzi

multiple să fie apropiate. Un utilizator al reţelelor de generaţii noi poate trimite pachete

benzilor spectrale care nu sunt apropiate. Transmisia multi spectru arată o degradare mai

mică a calităţii, în timpul spectrului de transfer al unei transmisiuni de pe un canal pe altul,

în comparaţie cu transmisia convenţională pe o singură bandă spectrală. De exemplu, dacă

un utilizator primar apare într-o anumită bandă spectrală, utilizatorii de reţele noi trebuie să

elibereze această bandă. Oricum, atâta timp cât restul benzilor spectrale vor menţine

comunicaţia, scăderea bruscă a calităţii serviciilor se va atenua. În plus, transmisia în benzile

spectrale multiple, permite utilizarea unor puteri scăzute în fiecare bandă spectrală. Ca

rezultat, se ajunge la o interferenţă scăzută cu utilizatorii primari, în comparaţie cu

transmisia pe o singură bandă spectrală. Din aceste motive, un cadru de lucru pentru

managementul spectral, ar trebui să suporte mai multe capacităţi ale deciziilor spectrale. Ca

33

exemplu, determinarea numărului de benzi spectrale şi selectarea benzii potrivite pentru

aplicaţia respectivă sunt încă probleme actuale apărute în reţelele de generaţie nouă.

Cooperarea cu reconfigurarea: tehnologia radioului cognitiv, dă posibilitatea parametrilor

de transmisie ai radioului să fie reconfiguraţi pentru operaţii optime dintr-o anumită bandă

spectrală. De exemplu, dacă raportul semnal zgomot este fix, rata de eroare a bitului, poate fi

ajustată pentru a menţine capacitatea canalului, exploatând tehnicile de modulaţie adaptive

(cdma). Deci este necesar un cadru de lucru care consideră atât decizia spectrală cât şi

recofigurarea.

Decizia spectrală în benzile spectrale heterogene: Anumite benzi spectrale sunt deja

asignate pentru diferite scopuri, în timp ce altele rămân nelicenţiate. Spectrul utilizat de

reţelele de generaţii noi, în cele mai multe cazuri va fi o combinaţie de spectru cu acces

exclusiv şi de spectru nelicenţiat. În cazul benzilor licenţiate, utilizatorii de reţele de

generaţie nouă trebuie să ia în considerare activităţile utilizatorilor primari, în cazul analizei

şi deciziei spectrale, pentru a nu influenţa transmisia utilizatorilor primari. În schimb, în

benzile nelicenţiate, atâta timp cât toţi utilizatorii de reţele noi au aceleaşi drepturi de acces

spectral, sunt necesare tehnici sofisticate de împărţire spectrală. Pentru a decide banda

spectrală cea mai bună, în mediul heterogen, reţelele de generaţie nouă trebuie să suporte

operaţiile deciziei spectrale în ambele benzi (licenţiată şi nelicenţiată), luând în considerare

diferitele caracteristici ale lor.

3.2 Mobilitatea spectrală

Scopul reţelelor de generaţie nouă este de a utiliza spectrul într-o manieră dinamică,

permiţând terminalelor radio să opereze în cadrul celei mai bune benzi disponibile de

frecvenţă. Aceasta aduce în prim plan conceptul de „obţinere a celui mai bun canal”. Pentru

a realiza acest concept, un radio de generaţie nouă trebuie să aleagă cel mai bun spectru

disponibil. Mobilitatea spectrală este definită ca procesul în care un utilizator de reţea de

generaţie nouă îşi schimbă frecvenţa cu care operează.

34

3.2.1 Spectrul de transfer al unei transmisiuni de pe un canal pe altul

În reţelele de generaţie nouă, mobilitatea spectrală apare acolo unde condiţiile

canalului curent nu mai sunt favorabile şi apar utilizatori primari. Mobilitatea spectrală

aduce în prim plan un nou tip de transfer al unei transmisiuni de pe un canal pe altul în

reţelele de generaţie nouă, pe cere îl vom numi spectru de transfer al unei transmisiuni de pe

un canal pe altul. Protocoalele pentru diferitele tipuri de nivele trebuiesc adaptate cu diferiţii

parametri ai frecvenţei operţionale. Ele trebuie să fie transparente pentru acest spectru de

transfer al unei transmisiuni de pe un canal pe altul .

După cum am punctat în capitolele de mai sus, un radio cognitiv îşi poate adapta

frecvenţa de operare. De fiecare dată când un utilizator îşi schimbă frecvenţa cu care

operează, protocoalele reţelei comută de la un mod de operare la altul. Scopul

managementului mobilităţii spectrului în reţelele de nouă generaţie este de a face ca

transmisia să se desfăşoare fără întreruperi şi cât mai repede, astfel încât aplicaţia

utilizatorilor de reţele noi să se desfăşoare cu o degradare a performanţelor minimă în timpul

spectrului de transfer al unei transmisiuni de pe un canal pe altul. Este esenţial pentru

managementului protocoalelor pentru mobilitatea spectrului să cunoască în avans informaţii

despre durata spectrului de transfer al unei transmisiuni de pe un canal pe altul. Această

informaţie trebuie să fie furnizată de algoritmi de detecţie spectrală. Odată ce aceste

protocoale au cunoştiinţă despre latenţe, rolul lor este de a asigura o degradare a

performanţelor minimă pentru comunicaţiile în desfăşurare, ale utilizatorilor de generaţie

nouă. Consecvent, protocoalele managementului mobilităţii multiplelor nivele sunt necesare

pentru funcţionalitatea mobilităţii spectrale. Aceste protocoale suportă managementul

mobilităţii adaptat pentru diferitele tipuri de aplicaţii. De exemplu, conexiunea TCP poate fi

pusă într-o stare de aşteptare până când spectrul de transfer al unei transmisiuni de pe un

canal pe altul s-a terminat. Mai mult, atâta timp cât parametrii TCP se schimbă după spectrul

de transfer al unei transmisiuni de pe un canal pe altul, este esenţială cunoaşterea noilor

parametrii şi trebuie asigurată tranziţia de la foştii parametrii la cei noi foarte rapidă. Pentru

o comunicaţie de date, FTP de exemplu, protocoalele pentru managementul mobilităţii

trebuie să implementeze mecanisme pentru stocarea pachetelor ce sunt transmise în spectrul

de transfer al unei transmisiuni de pe un canal pe altul, în vreme ce într-o aplicaţie în timp

real nu este nevoie de memorarea pachetelor, dacă sunt trimise mai târziu şi ele nu pot fi

folosite de aplicaţii corespondente.

35

3.2.2 Provocările mobilităţii spectrului în reţele de generaţie nouă

Următoarele, reprezintă probleme actuale ale eficienţei mobilităţii spectrale în reţelele

de generaţie nouă:

La un anumit timp, unele benzi de frecvenţă pot fi disponibile pentru utilizatorii de

generaţie nouă. Sunt necesari algoritmi pentru a decide cel mai bun spectru disponibil bazat

pe caracteristicile canalului şi pe cererile aplicaţiilor folosite de aceşti utilizatori.

Odată ce este selectat spectrul cel mai potrivit, următoarea provocare este de a crea o nouă

mobilitate şi un nou management al comunicaţiei, pentru a reduce întârzierea şi pierderile

din timpul spectrului de transfer al unei transmisiuni de pe un canal pe altul.

Atunci când frecvenţele operaţionale devin ocupate (se poate întâmpla dacă un utilizator

licenţiat începe să folosească această frecvenţă) la mijlocul comunicaţiei unui utilizator de

reţea nouă, aplicaţia ce rulează va trebui să se mute pe o altă frecvenţă disponibilă. Selecţia

noii frecvenţe operaţionale poate dura ceva timp. Este nevoie de algoritmi noi, pentru a se

asigura că aplicaţiile să nu sufere degradări severe ale performanţelor, în timpul tranziţiilor.

Spectrul de transfer al unei transmisiuni de pe un canal pe altul poate apărea datorită altor

motive decât ale apariţiei utilizatorilor primari. Deci, există şi alte scheme de spectru de

transfer al unei transmisiuni de pe un canal pe altul în reţelele de generaţie nouă. Dacă un

astfel de utilizator se mută dintr-un loc într-altul, poate apărea spectrul de transfer al unei

transmisiuni de pe un canal pe altul pentru că se schimbă banda spectrală disponibilă. Astfel,

în schema spectrului de transfer al unei transmisiuni de pe un canal pe altul trebuie să apară

transferul unei transmisiuni de pe un canal pe altul inter-celular. În afară de aceasta, spectrul

de transfer al unei transmisiuni de pe un canal pe altul între diferite reţele, este cunoscut ca

transfer al unei transmisiuni de pe un canal pe altul vertical şi este foarte probabil de apărut.

Într-un astfel de mediu diversificat, este esenţial ca schemele spectrului de transfer al unei

transmisiuni de pe un canal pe altul să ia în considerare toate posibilităţile menţionate.

Mobilitatea spectrală în domeniul timp. Reţelele de generaţie nouă se adaptează spectrului

fără fir, bazat pe benzile disponibile. Atâta timp cât aceste canale se schimbă în timp,

reprezintă o provocare pentru obţinerea calităţii serviciilor. Radioul fizic, trebuie să se

“mute” de-a lungul spectrului pentru a îndeplini cerinţele necesare calităţii serviciilor.

Mobilitatea spectrului în spaţiu. Benzile disponibile se schimbă atunci când un utilizator se

mută dintr-un loc în altul.

36

3.3 Împărţirea spectrală

În reţelele de generaţie nouă, una din cele mai mari provocări o reprezintă împărţirea

spectrului între utilizatori. Această problemă, poate fi asociată cu problemele apărute la

nivelul MAC (medium access control). Co-existenţa utilizatorilor licenţiaţi şi gama largă

de spectru disponibil sunt două mari motive pentru aceste provocări.

Pentru a putea vorbi mai departe de împărţirea spectrală, trebuie să enumerăm paşii care

trebuie urmaţi.

• sesizarea spectrală: unui utilizator de generaţie nouă i se poate aloca o porţiune din

spectru, numai dacă acea porţiune nu este utilizată de un utilizator primar. În acord

cu aceasta, când un nod al reţelei de generaţie nouă încearcă să transmită pachete,

trebuie să cunoască iniţial gradul de ocupare al spectrului din jurul vecinătăţii sale.

• Accesul spectral: în cadrul acestui pas, apare o altă problemă a împărţirii spectrale.

Cum există mai multe noduri de nouă generaţie care încearcă să acceseze spectrul,

acest acces trebuie coordonat pentru a preveni coliziunea dintre utilizatorii multipli

în porţiunile de suprapunere.

• Alocarea spectrală: bazându-se pe disponibilitatea spectrului, nodului i se poate

aloca un canal. Această alocare nu depinde numai de disponibilitatea spectrului, ci

este determinat şi pe bază de politici interne.

• Acordul dintre transmiţător-receptor (handshake): odată ce o porţiune a spectrului

este selectată pentru comunicaţie, receptorul comunicaţiei trebuie anunţat şi el despre

spectrul selectat. Un astfel de protocol este esenţial pentru eficienţa comunicaţiei în

reţelele de generaţie nouă. De reţinut este faptul că termenul de acord nu înseamnă

restricţionarea protocolului dintre transmiţător şi receptor. Poate fi implicată şi o a

treia parte, o staţie centralizată.

• Mobilitatea spectrală: nodurile de generaţie nouă sunt denumite ‘vizitatori’ ai

spectrului la care sunt alocaţi. Dacă porţiunea utilizată, specificată din spectru este

cerută de un utilizator licenţiat, comunicaţia trebuie să continue pe o altă porţiune

vacantă. Ca rezultat, mobilitatea spectrală este şi ea importantă pentru succesul

comunicaţiei dintre nodurile de generaţie nouă.

37

3.3.1 Tehnici folosite pentru împărţirea spectrului

Soluţiile existente pentru împărţirea spectrală în reţelele de generaţie nouă pot fi

clasificate în funcţie de trei aspecte: în acord cu arhitectura, cu manifestarea alocării

spectrale şi în funcţie de tehnicile de acces spectral. În Fig.12 sunt descrise cele trei

clasificări şi se arată rezultatele fundamentale ale analizei acestei clasificări.

Fig.12 Clasificarea împărţirii spectrale în reţelele de generaţie nouă

În timp ce în unele cazuri se folosesc tehnici de optimizare pentru a afla strategii

optime pentru împărţirea spectrală, în alte cazuri, se folosesc metode de analiză specifice

teoriei jocurilor. Prima clasificare a tehnicilor de împărţire spectrală în reţelele de generaţie

nouă este bazată pe arhitectură şi poate fi descrisă astfel:

• împărţire spectrală centralizată: în aceste soluţii, o entitate centralizată controlează alocarea

spectrală şi procedurile de acces. Pentru ajutorul acestor acestor proceduri, se mai adaugă în

general o procedură de sesizare, distribuită, astfel încât fiecare entitate din reţeaua de

generaţie nouă trimite măsurătorile privind alocarea spectrului către o entitate centrală, iar

aceasta construieşte o mapă a alocării spectrale.

• împărţirea spectrală distribuită: aceste soluţii sunt propuse pentru cazurile în care

construcţia unei infrastructuri nu este preferată. Adică fiecare nod este responsabil pentru

alocarea spectrală, iar accesul este bazat pe politicile locale.

O a doua clasificare pentru tehnicile de împărţire spectrală se bazează pe

comportamentul accesului, şi anume:

• împărţire spectrală cooperativă: soluţiile cooperative consideră efectul comunicaţiei

nodurilor asupra altor noduri. Cu alte cuvinte măsurătorile interfereţei fiecărui nod sunt

împărţite şi altor noduri. Aceste informaţii sunt folosite şi de algoritmi de alocare spectrală.

În timp ce soluţiile centralizate pot fi considerate ca fiind şi cooperative, există şi soluţii

cooperative distribuite.

38

• împărţirea spectrală non-cooperativă: contrar soluţiilor cooperative, aceste soluţii consideră

doar nodul în cauză. Tehnicile şi soluţiile non-coopertive pot rezulta din reducerea utilizării

spctrului, iar minimul comunicaţiilor necesare pentru alte noduri introduc o negociere pentru

soluţiile practice.

Aceste două soluţii au fost comparate în general în funcţie de utilizarea spectrului

obiectivă şi de rezultate. Pentru metodele de acces spectral s-au analizat parametri de

utilizare ai spectrului şi împărţire obiectivă a acestuia, iar problema alocării spectrale este

modelată ca o problemă de reprezentare grafică cu culori diferite, alocate diverşilor

utilizatori. Pentru această modelare s-au considerat atât metode de alocare centralizate, cât şi

distribuite. Utilizând acest model, este prezentată o schemă optimizată. În această schemă,

utilizatorii secundari alocă canale în funcţie de interferenţa care va fi provocată de

transmisie. Ambele aproximări, sunt considerate, iar aproximarea cooperativă se presupune

că va lua în considerare efectul alocării canalelor la potenţialii vecini. Rezultatele simulărilor

arată că abordările cooperative sunt mult mai bune decât cele ale aproximării non-

cooperative. Mai mult, comparaţia dintre soluţia centralizată şi cea distribuită arată că

soluţia distribuită urmăreşte îndeaproape soluţia centralizată.

În final, a treia clasificare a împărţirii spectrale în reţelele de generaţie nouă bazată pe

tehnologia accesului spectral este explicată astfel:

• împărţirea spectrală superioară (overlay): se referă la tehnica de acces folosită. Mai

explicit, un nod accesează reţeaua utilizând o porţiune a spectrului care nu a fost folosită de

utilizatori licenţiaţi. Ca rezultat, interferenţa cu utilizatorii primari este minimizată.

• împărţirea spectrală inferioară (underlay): exploatează tehnicile de împrăştiere spectrală

dezvoltate pentru reţelele celulare. Odată ce s-a alcătuit o mapă a alocării spectrale, un nod

al reţelei de generaţie nouă începe să transmită astfel încât puterea de transmisie pe o

anumită porţiune a spectrului este percepută de utilizatorii licenţiaţi ca fiind un zgomot.

Aceste cazuri necesită tehnici sofisticate de împrăştiere spectrală şi pot utiliza o lăţime a

benzii mai mare comparată cu tehnicile de împărţire spectrală superioară.

O altă comparaţie a abordărilor precedente se bazează pe interferenţa sistemului

secundar asupra celui primar, în condiţiile unei probabilităţi de stagnare şi a trei tehnici de

împărţire spectrală. Prima tehnică, necesită ca utilizatorii secundari să împrăştie puterea

transmisă în întreg spectrul la fel ca tehnica CDMA sau UWB (ultra wide band-bandă ultra

largă). A doua tehnică presupune ca nodurile să aleagă banda de frecvenţă pentru a transmite

şi astfel interferenţa cu utilizatorii primari este redusă. O altă tehnică, hibridă necesită ca

nodurile să-şi împrăştie transmisia peste tot spectrul şi să elimine frecvenţele pe care

transmit utilizatorii primari. În primul rând statisticile despre interferenţă pentru fiecare

tehnică în parte sunt determinate pentru analiza probabilităţilor de întrerupere.

39

3.3.2 Împărţirea spectrală Inter-Reţea

Reţelele de generaţie nouă sunt considerate ca furnizând oportunităţi de acces pentru

spectrul licenţiat folosind utilizatori nelicenţiaţi. Setările oferă posibilitatea multiplelor

sisteme să fie dezvoltate în locaţii suprapuse şi spectre după cum arată Fig.13

Fig.13 Împărţire a spectrului în inter şi intra reţele

Împărţirea spectrului de-a lungul acestor sisteme este o importantă temă de cercetare

de-a lungul reţelelor de generaţie nouă. Împărţirea spectrului inter-reţea a fost reglementată

prin asignarea de frecvenţe statice, de-a lungul diferitelor sisteme sau alocarea centralizată

dintre diferitele puncte de acces ale unui sistem în reţelele celulare. În reţelele ad-hoc, doar

problema interferenţei în banda ISM a fost investigată, axânduse pe co-existenţa dintre

reţelele WLAN şi Bluetooth.

3.3.1.1 Împărţirea spectrală centralizată inter-reţea

Într-un prim pas al co-existenţei sistemelor spectrale, eticheta protocolului canalului

comun, de coordonare spectrală CSCC este propusă pentru co-existenţa reţelelor 802.11.b şi

802.16.a. Fiecare nod, se presupune a fi dotat cu echipament de radio cognitiv, cu o rată de

bit scăzută şi o bandă limitată de control radio. Co-existenţa este menţinută prin coordonarea

40

acestor noduri între ele cu ajutorul unor mesaje CSCC de difuzie. Fiecare utilizator

determină canalul pe care îl va folosi pentru transmisia de date astfel încât să se evite

interferenţa. În cazul în care selectarea canalului nu este suficientă pentru evitarea

interferenţei, se va folosi un mecanism de adaptare a puterii. Evaluările făcute, arată că acolo

unde este spectru disponibil pentru a folosi un adaptor de frecvenţă, protocolul etichetă

CSCC are unele îmbunătăţiri ale rezultatelor de 35-160% datorită ambelor modalităţi de

adaptare, a frecvenţei şi puterii. Un alt rezultat interesant este acela când nodurile sunt

adunate în clustere în jurul punctelor de acces ale standardului IEEE 802.11.b şi cresc

rezultatele îmbunătăţirilor protocolului CSCC .

Pe lângă competiţia care are loc pentru spectru, mai există o altă competiţie pentru

utilizatori. Un server al politicii spectrale ( SPS ) este propus pentru a coordona cererile

multiplilor operatori asupra spectrului. În această schemă, fiecare operator face o ofertă

pentru spectru, indicând costul pe care îl va plăti pentru perioada de folosire. SPS va aloca

apoi spectrul, maximizând profitul pe baza ofertelor de la operatori. Operatorii vor

determina ofertele pentru fiecare utilizator, iar utilizatorii selectează ce operator vor folosi

pentru diferite tipuri de trafic. Când comparăm cu cazul în care fiecare operator este asignat

unei porţiuni egale a spectrului, acum schemele cu ofertele operatorilor ating rezultate bune,

conducând la venituri mari pentru SPS, asemănător cu un preţ scăzut pentru utilizatori,

corespunzător cerinţelor lor. Aceste studii aduc noi perspective, încorporând competiţia

pentru utilizatori la fel ca cea a spectrului, în reţelele de generaţie nouă.

3.3.1.2 Împărţirea spectrală distribuită inter-reţea

O schemă pentru împărţirea spectrală distribuită, pentru serviciile Internet fără fir

cuprinde o schemă de distribuţie a calităţii serviciilor bazată pe alocarea dinamică a

canalelor, D-QDCR (QoS dynamic channel reservation). Conceptul de bază al D-QDCR este

acela că o staţie de bază BS concurează cu o alta cu care interferează, în acord cu cerinţele

necesare calităţii serviciilor utilizatorilor, pentru alocarea unei porţiuni a spectrului. Similar

cu protocolul CSCC, canalele de control şi de date sunt separate. Unitatea de bază pentru

alocarea canalelor pe baza D-QDCR se numeşte cadru Q. Atunci când o BS alocă un cadru

Q, foloseşte canalele de control şi de date, alocate pentru coordonarea şi comunicaţia de date

dintre utilizatori. Competiţia dintre BS-uri se face în acord cu prioritatea lor, care depinde de

volumul de date şi de cerinţele calităţii serviciilor. Mai mult, politicile pentru competiţii sunt

propuse pe baza tipului de trafic, sau al cererii utilizatorilor. Altfel, dacă evaluările nu sunt

furnizate, schemele D-QDCR servesc la împărţirea spectrului inter-reţea.

41

Soluţiile de împărţire spectrală inter-reţea, oferă o privire de ansamblu a împărţirii

spectrale, ele incluzând politicile operatorilor pentru determinarea alocării canalelor. O

problemă majoră a existenţei acestor soluţii în arhitectura reţelelor de generaţie nouă, este

cererea de canale de control comun.

3.3.2 Împărţirea spectrală intra-reţea

În cadrul acestei împărţiri a spectrului, utilizatorii reţelelor de generaţie nouă, încearcă

să acceseze spectrul disponibil, fără să cauzeze interferenţă utilizatorilor primari. Se poate

face o clasificare a soluţiilor propuse de această împărţire spectrală, după cum urmează:

3.3.2.1 Împărţirea spectrală intra-reţea cooperativă

O schemă cooperativă, locală, ”negociată”, este propusă pentru a furniza o utilizare a

spectrului cât mai corectă. ”Negocierea” locală este realizată prin construirea de grupuri

locale, în acord cu o linie insuficientă, care să asigure o alocare spectrală minimă fiecărui

utilizator, care se bazează deci, pe o împărţire corectă între utilizatori.

O altă soluţie care consideră aceste grupuri locale se bazează pe un protocol de

distribuţie heterogenă MAC. O problemă ivită în soluţia propusă anterior, a LB , se referă la

canalele de control comun, care s-ar putea să nu existe sau să fie ocupate de utilizatori

primari, în cadrul reţelelor de generaţie nouă. Se poate demonstra, că pentru o anumită

topologie există un număr limitat de canale de control comun pentru fiecare utilizator din

reţea. Dacă se iau în considerare şi vecinii locali, nodurile îşi împart canalele cu vecinii.

Bazîndu-ne pe această observaţie, este propus un algoritm al clusterilor, astfel încât fiecare

grup să selecteze un canal comun pentru comunicaţie, iar detecţia distribuită şi împărţirea

spectrală sunt furnizate pe acest canal. Dacă acest canal este ocupat de un utilizator primar la

un anumit moment de timp, nodurile se reorganizează pentru un alt canal de control.

Performanţele evaluărilor arată că presupunerile făcute asupra grupurilor distribuite sunt mai

bune decât aproximările asupra canalelor de control comun, în special când traficul este

mare.

Noţiunea de “tonuri ocupate” care este des întâlnită în unele protocoale din reţelele ad-

hoc, este extinsă şi în reţelele de generaţie nouă, care au protocoale pentru împărţirea

spectrală dinamică MAC( DOSS-MAC ). Ca rezultat, când un nod utilizează un anumit

42

canal de date pentru comunicaţie, atât transmiţătorul cât şi receptorul trimit semnale de ton

ocupat prin intermediul canalului de ton ocupat asociat.

Mai mult, pentru alocarea spectrală, este inclusă în protocoalele pentru împărţirea

spectrală şi determinarea puterii de transmisie. Sunt propuse atât canalele multiple, cât şi

canalele separate, din schemele cu o distribuţie asincronă a preţului unde fiecare nod îşi

anunţă preţul interferenţei pentru celelalte noduri. Utilizând această informaţie de la vecini,

un nod poate mai întâi aloca un canal şi în acest caz există utilizatori în canal, iar apoi poate

determina puterea de transmisie. Ca rezultat, această schemă poate fi clasificată ca un hibrid

al tehnologiilor împărţirii spectrale inferioare şi superioare. În timp ce există utilizatori ce

folosesc canale distincte, utilizatorii multipli pot împărţi acelaşi canal ajustându-şi puterea

de transmisie. Algoritmul SC-ADP oferă rate mari pentru utilizatori, în comparaţie cu alţi

algoritmii, unde utilizatorii selectează canalul cel mai bun fără a avea cunoştiinţe despre

nivelul de interferenţă al vecinilor. În final, este arătat, că la o interferenţă mare, algoritmul

propus este mai bun decât tehnicile de împărţire spectrală inferioare.

Mai există şi alte soluţii pentru împărţirea spectrală centralizată, printre care este şi

protocolul accesului dinamic în spectru (DSAP). Această soluţie este asemănătoare cu

aproximarea SPS, dar axându-se pe împărţirea spectrală intra-reţea. Protocolul pentru

accesul dinamic în spectru, dă posibilitatea unei entităţi centrale să ofere spectru

utilizatorilor într-o regiune geografică limitată. DSAP se referă la clienţi, la server şi

schimbă informaţia dintre clienţi şi server, care nu sunt într-o rază directă faţă de server.

Clienţii vor informa serverul despre condiţiile canalului lor, pentru a se putea face o privire

de ansamblu a întregii reţele de către server. Exploatând detecţia cooperativă şi cea

distribuită, serverul DSAP construieşte o mapă radio. Această mapă, este folosită pentru

atribuirea canalelor şi este oferită clienţilor pentru un timp limitat.

3.3.2.2 Împărţirea spectrală intra-reţea non-cooperativă

Este propusă o schemă pentru un management oportun al spectrului, unde utilizatorii

alocă canale bazându-se pe observaţiile vecinilor şi pe modelele de interferenţă. În schema

dispozitivului central de management spectral, (DCSM) comunicaţia în ansamblu, este

minimizată furnizând cinci reguli diferite de sistem, pentru alocarea spectrală. Ca rezultat,

utilizatorii alocă canale în funcţie de aceste reguli, bazate pe observaţii în locul colaborării

dintre utilizatori. În cazul în care mai multe noduri aleg acelaşi canal şi sunt apropiate, sunt

folosite tehnici de acces aleatoriu pentru a rezolva această situaţie. O analiză comparativă a

43

acestei scheme cu una cooperativă arată că accesul spectral bazat pe reguli, are o

performanţă mai scăzută şi comunicaţia în ansamblu este redusă.

Un protocol de împărţire spectrală pentru reţele ad-hoc (AS-MAC) exploatează

schimbul RTS-CTS şi vectorul de alocare al reţelei (NAV), concept folosit de protocolul

IEEE 802.11 MAC, într-o setare a spectrului deschis. În aceste presupuneri, reţeaua de nouă

generaţie co-există cu reţeaua GSM. Fiecare nod mai întâi ascultă canalul de difuzie a reţelei

GSM, la fel cum ascultă şi canalul de control al reţelei de generaţie nouă, iar apoi, fiecare

nod îşi construieşte NAV (vectorul de alocare al reţelei) şi selectează canalele.

3.4 Canalul de control comun

Mai multe soluţii de împărţire spectrală, centralizate sau distribuite, folosesc un canal

de control comun CCC. Este clar că acest tip de canal facilitează funcţionarea împărţirii

spectrale. Datorită faptului că utilizatorii reţelelor de generaţie nouă sunt priviţi ca vizitatori

ai spectrului care li s-a alocat, când un utilizator primar alege un canal, acest canal trebuie să

fie liber şi fără interferenţă. Rezultatul este că implementarea unui CCC fix în reţelele de

generaţie nouă este imposibilă. Pe deasupra, într-o reţea cu utilizatori primari, un canal

comun pentru toţii utilizatorii este strâns dependent de topologie, deci variază cu timpul.

Atunci când un canal de control comun nu este utilizat, devine o adevărată provocare

acordul transmiţător-receptorului.

Gama radio dinamică

Această gamă se modifică odată cu frecvenţa de operare, datorită variaţiei atenuării. În

multe soluţii, o gamă fixă este presupusă a fi independentă în spectrul operaţional. În

reţelele de generaţie nouă, unde se consideră o largă porţiune a spectrului fără fir, vecinii

unui nod se pot schimba, o dată cu schimbarea frecvenţelor. Datorită acestor proprietăţi,

alegerea unui canal de control comun trebuie să fie foarte atent decisă. Va fi mult mai

eficientă seletarea canalelor de control în porţiuni joase ale spectrului unde gama de

transmisie va fi mare, decât selectarea canalelor în porţiunile superioare ale spectrului unde

poate fi utilizată o operaţie cu minimizarea interferenţei.

44

Capitolul 4

Detecția spectrală

Una dintre cele mai importante cerințe ale sistemelor Radio Cognitiv este detecția

găurilor spectrale. Un Radio Cognitiv este proiectat pentru a cunoaște schimbările din jurul

său. Detecția spectrală este funcția ce permite radio-ului să se adapteze la schimbările

mediului prin detectarea găurilor spectrale și utilizarea oportunistă a benzilor de frecvență

fără a cauza interferență nedorită utilizatorilor licențiați.

Cea mai eficientă modalitate de a detecta găurile spectrale este detectarea

utilizatorilor primari care comunică în aria de transmisiune a radio-ului cognitiv. În realitate

însă, este dificil pentru un radio cognitiv să măsoare canalul dintre receptorul primar și

transmițător. Documentaţia actuală privind sesizarea spectrului de bandă largă pentru

reţelele de radio cognitiv este foarte limitată. O abordare mai recentă este de a folosi filtre

trece bandă în interfaţa radio RF pentru a detecta frecvenţa apropiată, la un anumit moment

de timp, la care tehnicile de sesizare spectrală de bandă îngustă se pot aplica.

Detecția spectrală poate fi clasificată în: detecția non-cooperativă și detecția

cooperativă.

4.1 Definirea spectrului disponibil

Un canal poate fi considerat oportun pentru acces, dacă nu este ocupat de utilizatori

primari. Acesta este oportun pentru ST si SR, dacă ei pot comunica cu succes prin

intermediul acestui canal în timp ce se limitează interferența provocată utilizatorilor primari

până la un anumit nivel determinat de politicile spectrale impuse. Aceasta înseamnă că SR

nu va fi afectat de transmițătorul primar și transmițătorul ST nu va interfera cu receptorii

primari. Considerăm atenuarea unui semnal uniformă și antenele omnidirecționale. În acest

caz, un canal este oportun pentru ST şi SR dacă nici un utilizator primar cu o distanţă txr de

ST nu recepţionează şi nici un utilizator primar cu o distanţă de rxr de SR nu transmite pe

acest canal. După cum se poate observa, txr este determinat de puterea de transmisie a

utilizatorilor secundari şi de interferenţa maximă permisă faţă de utilizatorii primari, în timp

45

ce rxr este determinat de puterea de transmisie a utilizatorilor primari, precum şi de toleranţa

interferenţei cu utilizatorii secundari.

Fig. 14 Model Conceptual

Spectrul oportun pentru accesul utilizatorilor este un concept local definit cu privire

la o anumită pereche de utilizatori primari. Depinde nu numai de locaţia transmiţătorului

secundar cât şi de cea a receptorului secundar. Spectrul oportun este determinat mai mult de

activităţile comunicaţiilor utilizatorilor primari, decât ale utilizatorilor secundari.

Comunicaţiile eşuate datorită coliziunii dintre utilizatorii secundari nu descalifică un canal

de la a fi oportun pentru acces.

4.2 Detecția non-cooperativă

Problema detecției spectrale poate fi formulată după cum urmează:

Pentru a detecta un semnal primar de putere slabă într-o bandă B cunoscută a priori, se poate

propune următoarea ipoteză:

(1)

46

H0 reprezintă absența semnalului primar, astfel încât semnalul complex recepționat

x(n) conține doar zgomot Gaussian, alb și aditiv (AWGN), v(n) ~ ϹN(0,σv2), și H1 reprezintă

prezența semnalului primar, astfel că x(n) este compus din s(n) alterat de către v(n). N

reprezintă numărul de măsurători disponibile. Mai întâi vom analiza și comenta cele 3

metode de detectare spectrală non-cooperativă înainte de a trece la motivarea necesității

detectării colaborative.

4.2.1 Detectorul de energie

Detectorul de energie necoerent (sau radiometru) reprezintă una dintre cele mai

simple abordări pentru a decide între ipotezele H0 și H1. Fie vectorul x=[x(1) ,x(2),…, x(N)]T,

și s=[s(1), s(2),…, s(N)]T. Regula de decizie în acest caz este dată de:

T(x) , (2)

unde T(x) este statistica de test și γ pragul de decizie corespunzător. Conform teoremei

limitei centrale, T(x) are o distribuție normală asimptotică dacă N este suficient de mare (N ≥

20 este de obicei suficient în practică). Pentru valori mari ale lui N, putem modela statistica

de test T(x) după cum urmează:

, (3)

47

unde reprezintă media puterii semnalului primar. Astfel, pentru valori mari ale

lui N, probabilitatea de alarmă falsă Pf și probabilitatea de detecție Pd pot fi aproximate cu

următoarele formule:

, (4)

și

, (5)

unde

reprezintă probabilitatea unei variabile aleatoare Gaussiene de medie nulă și varianță

unitară.

Din funcțiile de mai sus, se poate concluziona că, în timp ce o probabilitate de

detecție Pd scăzută ar însemna o probabilitate mare de a rata prezența semnalului primar și

astfel ar cauza interferență cu acesta, o probabilitate de alarmă falsă Pf ar însemna o utilizare

spectrală redusă deoarece numărul de alarme false crește numărul oportunitățiilor ratate.

denotă raportul semnal-zgomot (SNR). Folosind relațiile (4) și (5), este ușor de observat că

pentru a asigura anumite valori pentru Pf și Pd , numărul necesar de eșantioane, N, este dat

de:

, (6)

În zona de raport semnal-zgomot bun ( SNR 1), se poate afirma că sunt necesare

O(1/SNR) eșantioane pentru a întruni nivelul de performanțe dorit (Pf , Pd). (Notația

y=O(g(n)) rezultă că există o constantă k astfel încât . Pe de altă parte,

în zona de raport semnal-zgomot slab (SNR ), sunt necesare O(1/SNR2).

48

Important de reținut este că dacă singura informație cunoscută a priori este puterea

zgomotului, atunci detectorul de energie este optim în condițiile criteriului Neyman-Pearson.

De asemenea, performanțele detectorului de energie pot fi susceptibile incertitudinii asupra

nivelul puterii zgomotului. Pentru a rezolva această problemă, se transmite un ton pilot de la

transmițăorul primar pentru a îmbunătăți acuratețea detectorului de energie. Un alt neajuns

este că detectorul de energie nu poate face diferența între diverse tipuri de semnale, poate

doar determina prezența acestuia. Din acest motiv, detectorul de energie este predispus la

falsă detecție cauzată de semnale neintenționate.

4.2.2 Detecția filtrului potrivit

Detectorul coerent, denumit și filtru potrivit, poate îmbunatăți performanțele de

detecție dacă semnalul primar transmis este determinist și cunoscut a priori. Avantajul

principal al acestei metode îl reprezintă faptul că necesită un timp mai puţin pentru a atinge

un câştig al prelucrării, datorită coerenţei şi are nevoie de cunoştinţe anterioare despre

semnalul utilizatorului primar, cum ar fi tipul de modulaţie, forma impulsului şi formatul

pachetului. Toate aceste informaţii se stochează într-o memorie a radiolui cognitiv. Dacă

această informaţie nu este corectă, performanţele filtrului potrivit sunt mici.

Fitrul potrivit corelează semnalul cunoscut s(t) cu semnalul recepționat necunoscut

x(n), iar decizia se ia după următoarea ipoteză:

, (7)

Statistica de test T(x) este distribuită normal după ambele ipoteze, astfel că:

, (8)

Probabilitățiile de alarmă falsă și de detecție sunt date de:

, (9)

și

49

, (10)

Ca și în cazul detectorului de energie, numărul necesar de eșantioane necesare pentru a

obține un caz dorit (Pf, Pd) este dat de:

, (11)

Această structură este optimă pentru detecție, deoarece maximizează raportul

semnal-zgomot în prezența zgomotului aditiv dacă semnalul transmis, s(n), este cunoscut a

priori. Totuși, în cazuri cu raport semnal-zgomot slab, acest detector nu este potrivit

deoarece sincronizarea este greu de realizat. Performanţele pot fi îmbunătăţite dacă se

folosesc simboluri pilot, preambuluri, coduri de sincronizare, sau egalizarea semnalului

primar şi toate aceste pot fi utilizate şi pentru detecţia coerentă. De exemplu, sistemele

CDMA folosesc coduri împrăştiate şi canale de sincronizare, iar cele OFDM preambuluri.

4.2.3 Detecția caracteristicilor ciclostaționare

Detecția caracteristicilor exploatează forma unică a unui semnal specific pentru a-i

detecta prezența. Majoritatea semnalelor modulează purtatori sinusoidali, au o perioadă de

simbol bine determinată, au anumite prefixe ciclice, care rezultă într-o periodicitate

intrinsecă. Detectorul caracteristicilor ciclostaționare se poate folosi de această periodicitate

pentru a realiza o detecție mai corectă. Principalul avantaj al acestei funcţii este că poate

diferenţia energia zgomotului de energia semnalelor modulate, care este un rezultat al

factorului că zgomotul este un semnal staţionar în sens larg, fără corelaţie, în timp ce

semnalele modulate sunt ciclostaţionare cu corelaţie spectrală datorită redundanţei

semnalelor periodice.

50

Semnalul modulat s(n) poate fi caracterizat ca un proces ciclostaționar de ordin doi,

în sens larg, deoarece atât media cât și funcția sa de autocorelație prezintă periodicitate.

Acestea sunt:

și

În acest caz, pentru orice n, n1 și n2, se poate spune că:

și

,

unde este perioada fundamentală. Funcția de autocorelație ciclică a unui proces

ciclostaționar de ordin doi, în sens larg, cu o frecvență este:

, (12)

care are următoarea proprietate:

, (13)

pentru orice număr întreg i diferit de zero. Atunci, pentru un proces ciclostaționar ,

există un astfel încât pentru unele valori ale lui m. Reprezentarea

corespunzătoare a lui în domeniul frecvență, se definește ca funcția de corelație

spectrală, care poate fi obținută prin transformata Fourier în timp discret (DTFT)

( , (14)

unde este frecvența digitală corespunzătoare frecvenței de eșantionare Fs.

Ipoteza binară de test (1) poate fi înlocuită cu:

, (15)

51

Deoarece zgomotul v(n) nu este în general periodic, avem că ( =0 pentru

. Pentru un timp de observație finit N, o estimare pentru funcția de corelație spectrală

la w=2πk/L poate fi obținută după următoarea formulă:

, (16)

unde

(17)

este Transformata Fourier Discretă în L puncte (DFT), pentru al n-lea eșantion al semnalului

recepționat, și kα =αL/Fs este indicele de frecvență corespunzător frecvenței ciclice α. Se

presupune că funcția de corelație spectrală ( se cunoaște a priori. Statistica de test este

dată de un detector cu ciclu singular:

, (18)

sau un detector multi-ciclu:

, (19)

Performanțele detectorului de caracteristici ciclostaționare în termeni de estimare a

probabilităților de detecție, respectiv alarmă falsă, Pf și Pd sunt matematic de nerezolvat.

Detectorul de caracteristici ciclostaționare este necoerent datorită transformatei în

cuadratură, dar detectarea coerentă de caracteristici câstigă în comparație cu detectorul de

energie, daca puterea zgomotului este cunoscută.

4.2.4 Concluzii

Deoarece radio-urile cognitive (CR), au cunoștințe limitate despre semnalele

primare, detectorul de energie devine cea mai importantă tehnică pentru detecția spectrală.

Tehnicile mai sofisticate (detectorul coerent si detectorul de caracteristici) pot fi folosite

pentru o detecție rafinată sau o clasificare a semnalului detectat, dacă există mai multe

52

cunoștințe a priori despre semnalul primar. În continuare, se va discuta doar despre

detectorul de energie și despre cum strategiile cooperative de detecție ce pot îmbunătăți

performanțele acestuia.

53

4.3 Detecția cooperativă

În cazul detecţiei non-cooperative explicată anterior, utilizatorii de reţele noi

detectează semnalul transmiţătorului primar, independent, prin intermediul observatorilor

locali. Detecţia cooperativă se referă la metodele de sesizare spectrală unde informaţia

provenită de la multipli utilizatori ai reţelelor de generaţie nouă sunt încorporate, astfel

ajutând la detecţia utilizatorilor primari. Ea poate fi implementată fie într-o manieră

centalizată, ori într-una distribuită. În metoda centralizată staţiile de bază ale reţelelor de

generaţie nouă au rolul de a aduna toate informaţiile despre sesizarea spectrală de la

utilizatorii reţelelor noi şi detectează găurile spectrale. Pe cealaltă parte, soluţiile distribuite

necesită un schimb de observaţii între utilizatori.

Detecţia cooperativă între utilizatorii nelicenţiaţi este teoretic mai precisă atâta timp

cât incertitudinea asupra detecţiei unui singur utilizator poate fi minimizată. Suprapunerea

multi cale şi efectul de umbrire sunt principali factori care degradează performanţele

metodelor de detecţie a utilizatorului primar. Deci, schemele de detecţie cooperativă permit

atenuarea efectelor mai sus menţionate şi îmbunătăţesc probabilitatea de detecţie într-un

mediu umbrit.

Într-o bandă de frecvențe anume, prima responsabilitate a radio-ului cognitiv este de

a detecta corect existența utilizatorului primar pentru a minimiza interferența cu

transmisiunile existente. Însă, semnalele sunt greu de detectat datorită condițiilor

defavorabile ale canalului de comunicații și propagării pe căi multiple dintre utilizatorul

primar si radio-ul cognitiv. Din acest motiv, este greu de distins între un spectru alb și un

semnal slab atenuat de fading. Fading-ul stă la baza așa-numitei probleme a terminalului

ascuns, ilustrată în Fig. 15, unde un nod CR, (CR1) aflat în zona de protecție a

trasmițătorului primar PTx nu poate detecta semnalul datorită umbririi.

În acest caz, CR1 poate decide că este în afara zonei de protecție al PTx și poate

cauza interferență dăunătoare, transmițând date în banda primară de frecvență. Pentru a

preveni problema terminalului ascuns, rețeaua Radio Cognitiv ar putea fuziona rezultatele

sesizării spectrale primite de la mai multiple CR-uri și ar putea profita de diversitatea

dispunerii spațiale pentru a putea crește fiabilitatea globală a detecției spectrale. În acest

mod, o rețea de utilizatori secundari distribuiți spațiali, cu diverse condiții de canal cu sursa

primară, ar putea crește șansele unei detecții corecte, prin inter-schimbarea de informații de

detecție spectrală. Așadar, detecția spectrală cooperativă poate rezolva problema detecției

54

eronate, prin exploatarea diversității spațiale pentru a reduce probabilitatea de interferență

cu utilizatorii primari.

Fig. 15 Problema terminalului ascuns, în care zona tampon și raza radio-ului primar

formează împreună zona de protecție a transmițătorului primar

Majoritatea sesizării cooperative se desfășoară în general pe un canal de control.

Schemele de cooperare eficientă trebuie implementate cu scopul de a reduce banda și

cerințele de putere optimizând în același timp fiabilitatea detecției. În general,

caracteristicile de operare, cum ar fi: probabilitatea de alarmă falsă și probabilitatea de

detecție eronată trebuie alese în concordanță cu capacitatea de transmisie dorită pentru

utilizatorii secundari și probabilitatea de coliziune cu utilizatorii primari.

4.3.1 Detecția de bandă largă

Altă provocare crucială pentru sistemele Radio Cognitiv reprezintă monitorizarea și

procesarea benzilor de frecvență ultra-largi (până la câțiva gigahertzi) pentru a găsi în mod

fiabil găurile spectrale pentru acces oportunist la spectru. Această cerință presupune

provocări unice atât pe partea hardware a sistemului RF, dar și în dezvoltarea de algoritmi

55

fiabili de prelucrare de semnal. Detecția spectrală necesită, în primul rând, o interfață RF de

bandă largă cu un convertor analog-digital de înaltă rezoluție și de înaltă viteză, care este

costisitor de implementat. În adaos, sesizarea spectrală trebuie sa identifice atât benzile

ocupate cât si cele libere în timp real pentru a îmbunătăți utilizarea spectrului și a evita

introducerea interferențelor dăunătoare care pot afecta radio-urile primare. Aceste observații

motivează necesitatea unor algoritmi de detecție spectrală care pot diminua cerințele asupra

circuitelor RF și permite CR-urilor sa maximizeze capacitatea de trafic oportunist într-o

rețea secundară cu interferență limitată.

Literatura de specialitate existentă cu privire la sesizarea spectrală de bandă largă

este limitată. O abordare cunoscută este de a folosi un filtru trece-banda (BPF) tunabil

pentru a sesiza fiecare bandă îngustă pe rând, unde se pot aplica algoritmi cunoscuți de

sesizare a unei benzi înguste. Detecția spectrală de bandă largă necesită o arhitectură RF de

bandă largă și implică estimarea densității spectrale de putere (PSD) peste o gamă largă de

frecvențe.

Colaborarea între noduri secundare CR dispersate în spațiu poate atenua necesitatea

constrângerilor asupra părții RF prin amplificarea semnalului detectat la centrul de fuziune

și prin lărgirea benzii de frecvență în care se face detecția.

4.3.2 Scheme de detecție cooperativă de bandă îngustă cu centru de fuziune

Se consideră o rețea Radio Cognitiv cu M utilizatori secundari. Utilizatorul i

(i=1,2,...,M) colectează măsurători și formulează ipoteza de test binară după cum urmează:

(20)

unde hi este câștigul canalului dintre PTx si al i-lea utilizator secundar, si

este zgomotul la la i-lea receptor CR. Se consideră că hi este constant în timpul intervalului

de detecție (N eșantioane), iar valoarea lui N trebuie sa fie mult mai mică decât timpul de

coerență al canalului dintre transmițătorul si receptorul primar. Folosind detectorul de

energie, fiecare nod secundar i (i=1,2,...,M) folosește următoarea regulă de decizie:

56

(21)

unde , Ti(xi) măsoară energia totală, iar γi reprezintă pragul

local de decizie la nodul secundar i.

Pentru evaluarea performanțelor sesizării spectrale, se definește probabilitatea de

detecție a găurii spectrale astfel:

și probabilitatea de interferență:

,

unde Pf și Pd denotă probabilitățiile de alarmă falsă și respectiv de detecție. Practic,

probabilitatea P(H0/H0) reprezintă probabilitatea ca utilizatorii secundari să identifice un

segment spectral neocupat și este o măsură importantă a utilizării oportuniste a spectrului.

Analog, presupunând ca CR-urile transmit mereu în segmente spectrale unde nu detectează

semnal primar, probabilitatea P(H0/H1) măsoară probabilitatea ca un utilizator secundar să

provoace interferență dăunătoare utilizatorilor primari. Desigur, P(H0/H1) reprezintă

probabilitatea unei detecții ratate.

Obiectivul este de a implementa scheme de colaborare eficiente pentru M noduri

distribuite spațial pentru a îmbunătăți exactitatea detecției spectrale. Asta presupune

maximizarea P(H0/H0) cu condiția menținerii P(H0/H1) pe cât de mic posibil.

În practică, detecția spectrală cooperativă poate fi implementată într-o manieră

centralizată sau distribuită , după cum este prezentat în Fig. 16. Implementarea centralizată

folosește un centru de fuziune pentru a combina rezultatele detecției de la mai multe noduri

și a ajunge la decizia finală. În cazul distribuit, fiecare nod CR colectează rezultatele de

sesizare spectrală de la vecinii săi și implementează propria decizie prin fuziune. Detecția

spectrală cooperativă poate atinge diferite nivele de performanță prin interschimbarea

datelor: decizie hard sau rezumat statistic (decizie soft).

57

4.3.2.1 Fuziunea cu decizie hard

Cu decizia hard, fiecare nod CR ia propria decizie asupra prezenței sau absenței

utilizatorului primar și apoi trimite decizia binară (un singur bit) către centrul de fuziune

pentru decizia finală. Regula de votare este una din cele mai simple metode sub-optimale de

decizie fuzionată: acesta numără nodurile care au votat prezența semnalului primar și

compară votul cu un prag dat. În mod alternativ, poate fi folosită si operația de SAU-logic

pentru a combina deciziile de la mai multi utilizatori secundari, unde centrul de fuziune

decide H1 dacă oricare din nodurile secundare a decis H1. În același fel, poate fi

implementată și operația ȘI-logic care decide H1 dacă și numai dacă toate nodurile pretind

că ipoteza H1 este adevarată.

Este foarte cunoscut faptul că abordările bazate pe testul raportului probabil (LRT –

likelihood-ratio test) obțin performanțele optime conform criteriului Neyman-Pearson. Fie

deciziile nodurilor individuale stocate în vectorul binar , unde

, (22)

Fie P(u/H0) și P(u/H1) probabilitățiile lui u sub ipotezele H0 și H1. În acest caz,

detectorul LRT este dat de:

(23)

unde este pragul optim determinat de probabilitatea detectării găurii spectrale dorită.

Calculul pragului local de decizie optim , conform criteriului Neyman-Pearson este

matematic de nerezolvat, iar problema este agravată de faptul că măsurătorile nodurilor

individuale sunt corelate.

Prin urmare, este necesară implementarea soluțiilor sub-optimale. Important de

precizat este că în cazul schemei cu fuziune cu decizie hard, este nevoie de o bandă minimă

a canalului de control, dar este necesar un detector de energie la fiecare nod secundar CR.

58

4.3.2.2 Combinarea rezumatelor statistice (decizia soft)

Pentru a evita necesitatea optimizării pragurilor locale de detecție , pentru decizia

binară cu fuziune, nodurile pot transmite rezumatele statistice

către centrul de fuziune în care un test optim este:

, (24)

unde este pragul optim determinat de probabilitatea detectării găurii spectrale dorită.

Fig. 16

Fig. 16. Fuziunea datelor în detecția cooperativă. (a) În implementarea centralizată,

rezultatele detecției nodurilor individuale sunt trimise unui centru de fuziune, unde este luată

decizia globală. (b) În implementarea distribuită, fiecare CR este și un centru de fuziune,

colectând măsurătorile sesizării spectrale de la nodurile vecine și luând o decizie

independentă.

59

Din teorema limită centrală, poate fi argumentat că y are o distribuție normală pentru

un număr N suficient de mare. pentru ipoteza H0 și pentru

ipoteza H1. Folosind detectorul de energie, din relația (3) rezultă:

și

, pentru ipoteza H0.

și

, pentru ipoteza H1.

Este important de precizat că și sunt matrici pozitive semi-definite, și

.

Statisticile lui y pentru ambele ipoteze H0 si H1 pot fi estimate in practică. Pentru

H0, puterea zgomotului pot fi calibrate într-o bandă despre care se știe că nu este

folosită. Informații despre perioade de liniște sunt găsite uzual în benzile TV. Pentru H1,

statisticile pot fi cunoscute a priori în timpul perioadelor în care se știe sigur că

transmițătorul primar funcționează. Obținerea acestor informații a priori despre semnalul

primar este posibilă deoarece majoritatea stațiilor TV transmit periodic semnale pilot la

nivele de putere fixe. Metoda este aplicabilă și pe downlinkul unor rețele celulare, unde

stațiile de bază terestre transmit periodic semnale pilot la un nivel de putere fix. Puterea

recepționată a semnalului primar poate fi estimată prin scăderea puterii zgomotului

din totalul puterii recepționate la al i-lea nod în perioada în care există certitudine că

utilizatorul primar transmite, din moment ce semnalul primar este independent de zgomot.

Matricile diagonale de covarianță și implică faptul că statisticile recepționate

la centrul de fuziune sunt independente unele față de celelalte.

Având în vedere distribuțiile lui , relația (24) devine:

60

, (25)

unde reprezintă determinantul matricii A. Prin logaritmare, detectorul LRT

poate fi simplificat în forma următoare:

, (26)

Din cauză că fuziunea bazată pe LRT implică operații non-lineare, analiza

performanțelor și optimizarea pragurilor de detecție rămân o cerință complexă.

Alternativ, o structură de detecție mai simplă poate fi folosită, prin combinarea

liniară a nivelelor locale de energie de la nodurile CR individuale, în scopul deciziei

spectrale globale. Statistica de test poate fi aleasă să fie de forma:

, (27)

unde este un vector de ponderare reprezentând contribuția fiecărui nod individual la

decizia globală. De exemplu, dacă un nod generează un raport semnal-zgomot mare, care va

rezulta mai degrabă o decizie corectă, atunci lui îi trebuie asignat un coeficient de

ponderarea mai mare.

61

Fig. 17

Deoarece orice combinație liniară de variabile aleatoare Gaussiene este tot

Gaussiană, performanțele detectorului liniar (27) pot fi evaluate ca:

, (28) și

, (29)

Se poate pune problema maximizării probabilității detecției găurii spectrale (a

utilizării oportuniste a spectrului unei benzi de frecvență cautate), punând constrângeri

asupra probabilității de interferență. Depinzând de aplicație, se poate formula o problemă de

optimizare alternativă în care să se minimizeze probabilitatea având o

constrângere asupra .

Funcția , este monoton descrescătoare, este concavă

pentru și convexă pentru , după cum se poate vedea în Fig. 18.

62

Fig. 18

În rețelele Radio Cognitiv, probabilitățile de alarmă falsă și detecție au implicații

unice. măsoară probabilitatea interferenței provocate utilizatorilor primari. Pe de altă

parte, determină o limită superioară a eficienței spectrale, astfel că: o valoare mare a

implică o utilizare scăzută a spectrului. Această afirmație se bazează pe presupunerea că,

dacă semnalele primare sunt detectate, radio-ul cognitiv nu va folosi canalul respectiv, iar

daca semnalele primare nu sunt detectate, acesta va folosi canalul respectiv.

Se definesc 3 clase de Sisteme Radio Cognitiv, din punctul de vedere al necesității

folosirii benzi de frecvență dorite.

• Sistem Conservativ : Un sistem CR conservativ are o rată de utilizare oportunistă a

spectrului mai mică sau egală de 50% și o probabilitate de interferență mai mică

decat ½. Prin urmare, probabilitatea de alarmă falsă satisface relația și

probabilitatea de detecție .

• Sistem Agresiv: Un sistem CR agresiv se așteaptă să obțină o utilizare spectrală

oportunistă mai mare de 50% dar să mențină o probabilitate de interferență cu

utilizatorii primari mai mică de 50%. Acest fapt corespunde cu o probabilitate de

alarmă falsă țintă și o probabilitate de detecție .

• Sistem Ostil: Un sistem CR ostil își propune o utilizare spectrală oportunistă mai

mare de 50% și probabil va cauza o interferență cu utilizatori primari mai mare sau

egală cu 50%. Acest sistem are o probabilitate de alarmă falsă și o

probabilitate de detecție .

63

Listă de termeni și abrevieri

AGC - Automatic gain control (controlul câştigului automat)

ASIC - Application-specific Integrated Circuits (circuite integrate specifice pt. aplicații)

AS-MAC - Împărţire spectrală pentru reţele ad-hoc

AWGN - Additive white Gaussian noise (zgomot Gaussian alb,aditiv)

B3G - Beyond 3G Generation

BPSK - Binary Phase-shift keying (modulaţie cu deplasare binară de fază)

BPF – Band-pass Filter (filtru trece-bandă)

BRAN - Broadband Radio Access Network (rețea de acces radio de bandă largă)

BS – Base Station (stație de bază)

CCC – Common Control Channel (canal de control comun)

CDMA – Code-Division Multiple Access

CR – Cognitive radio (radio cognitiv)

CSCC - Common spectrum coordination channel (canal de coordonare spectrală comună)

DCSM - Dispozitiv central de management spectral

DFS – Dynamic Frequency Selection (selectarea dinamică a frecvenței)

DOSS-MAC – Dynamic open spectrum sharing MAC

D-QDCR - QoS dynamic channel reservation (rezervarea dinamică a canalului pe baza

calităţii serviciilor)

DSA – Dynamic Spectrum Access

DSAP - Dynamic spectrum access protocol (protocol de acces spectral dinamic)

DSP – Digital Signal Processor (procesor digital de semnal)

DVB – Digital Video Broadcasting (televiziune digitală)

FCC - Federation of Communications Commission

FPGA – Field Programmable Gate Array

FTP – File Transfer Protocol

GPRS – General Packet Radio Service (serviciu general de pachete radio)

GSM – Global System for Mobile communications (sistem global pentru comunicaţii

mobile)

HF – High Frequency (frecvențe înalte)

HSDPA – High-Speed Download Packet Access

IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers

64

IP – Internet Protocol

ISM - Banda destinată pentru Industrie, Ştiinţă, Medicină

LNA – Low noise amplifier (amplificator de zgomot scăzut)

MAC – Medium Access Control (nivelul de control al accesului la mediu)

MIMO – Multiple input and multiple output (multiple intrări și ieșiri)

NAV - Network Allocation Vector (vector de alocare al reţelei)

OFDM - Orthogonal frequency division multiplexing (mutiplexare cu diviziune ortogonală

de frecvenţă)

PHY – Physical Layer (nivelul 1 sau nivelul fizic)

PLL – Phase-locked Loop

PRx – Receptor primar

PSD – Power spectral density (densitate spectrală de putere)

PTx – Transmițător primar

PU – Primary user (utilizator primar)

QoS – Quality-of-Services (calitatea serviciilor)

RAT – Radio- Access Tehnology (tehnologii de acces radio)

RF – Radio Frequency (domeniul de radio-frecvență)

RTS-CTS - -To-Send/Clear-To-Send (cerere pentru emisie-liber pentru emisie)

SC/MC-ADP- Single channel/multi-channel asynchronous distributed pricing (canale

distribuite asincron în funcţie de preţ)

SDR – Sofware-defined Radio (radio definit prin software)

SPS - Spectrum policy server (server al politicii spectrale)

SR – Receptor secundar

ST- Transmițător secundar

TCP – Transmission Control Protocol (protocol de control al transmisiunii)

TDMA – Time Division Multiple Access (acces multiplu cu diviziune de timp)

TPC – Transmission Power Control (controlul puterii de transmisie)

UMTS - Universal Mobile Telecommunications System (sistem de telecomunicaţii mobile

universal)

UWB - Ultra Wide Band (bandă ultra largă)

VCO - Voltage-controller oscillator (oscilator controlat în tensiune)

W-CDMA - Wideband Code Division Multiple Access

WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access (interoperabilitate la nivel

mondial pentru acces de microunde)

WLAN - Wireless LAN (reţele de wireless de access local)

xG – neXt Generation (rețea de generație nouă)

65

Bibliografie

1. „NeXt generation/dynamic spectrum access/cognitive radio wireless networks: A

survey.”

Ian F. Akyildiz, Won-Yeol Lee, Mehmet C. Vuran *, Shantidev Mohanty

2. „Collaborative Wideband Sensing for Cognitive Radios” Zhi Quan, Shuguang Cui, H. Vincent Poor, Ali H. Sayed

3. “Optimal Linear Cooperation for Spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks”

Zhi Quan, Shuguang Cui, Ali H. Sayed

4. ” Spectrum opportunity and interference constrait in opportunistic spectrum access”

Qing Zhao

5. “Cooperative Spectrum Sensing in Cognitive Radio,Part I: Two User Networks”

Ghurumuruhan Ganesan and Ye (Geoffrey) Li

6. “Fundamental tradeoffs in robust spectrum sensing for opportunistic frequency

reuse”

Anant Sahai, Niels Hoven, Shridhar Mubaraq Mishra, Rahul Tandra

7. “Some fundamental limits on Cognitive Radio”

Anant Sahai, Niels Hoven, Rahul Tandra

8. “Cognitive Radio techniques for Wide Area Networks”

William Krenik, Anuj Batra

9. “Cognitive Radio Arhitecture: The Engineering Foundations Of Radio XML”

Joseph Mitola III