Radio Cognitiva: Oportunidades

y Retos para Colombia

Agenda

• EL concepto general de CR

• Radio software (SDR)

• Motivación de la CR desde la Gestión de

Espectro

• Modelos de negocio de CR

• Retos de CR

• Proyecto CORAGE – Uso de White

Spaces

EL CONCEPTO CR

• Según la FCC, un dispositivo CR es un

sistema de radiofrecuencia capaz de

variar sus parámetros de transmisión

basándose en su interacción con el

entorno en el que opera.

Aguilar Rentería, Julio Héctor; Navarro Cadavid, Andrés . Radio cognitiva - Estado del arte. En: SISTEMAS & TELEMATICA,

Vol. 9 No. 16, Enero/Marzo 2011, 31-53

EL CONCEPTO CR

• Según el criterio anterior, las dos características principales de un CR son:

1. Capacidad cognitiva: Tecnología necesaria para capturar la información de su entorno de radiofrecuencia, identificando así las partes del espectro que no estén siendo utilizadas.

2. Autoreconfiguracion: Tecnología necesaria para que el dispositivo pueda variar dinámicamente distintos parámetros relacionados con la transmisión o recepción (frecuencia, potencia, modulación, etc.), de acuerdo con su entorno.

Mitola Radio

• “Cognitive Radio is a radio that employs

model based reasoning to achieve a

specified level of competence in radio-

related domains”.

Mitola Radio

• “The point in which wireless personal

digital assistants and the related networks

are sufficiently computationally

intelligent about radio resources and

related computer-to-computer

communications to detect user

communications needs as a function of

use context, and to provide radio

resources and wire less services most

appropriate to those needs”

¿Qué es un Radio Cognitivo?

• Un sistema inteligente de comunicaciones inalámbricas

• Basado en tecnología SDR

– Reconfigurable

– De funcionalidad ágil

• Conciente de su ambiente (Awareness)

– Ocupación del Espectro

– Tráfico de la red

– Calidad de Transmisión

• Aprende de su ambiente y se adapta a nuevos

escenarios, basado en la experiencia previa (Machine

Learning)

“Cognitive Radio Communications and Networks: Principles and Practice”

By A. M. Wyglinski, M. Nekovee, Y. T. Hou (Elsevier, December 2009)

Radio Software

• Según un NPRM* de la FCC: “Vemos los Radios Definidos por Software como el resultado de un proceso evolutivo desde los equipos totalmente basados en hardware hasta los equipos totalmente basados en software.En este sentido el proceso se puede describir en tres etapas.

1. Radios basados en Hardware: Frecuencias de transmisión,

modulación y otros parámetros de radio frecuencia están

construidos por hardware no se pueden cambiar sin cambiar el

hardware..

2. Radios Digitales: Un radio digital ejecuta parte del

procesado de señal o la transmisión digitalmente, pero no se

puede reprogramar en campo.

3. Software Defined Radios:. TODAS las funciones, modos y

aplicaciones se pueden configurar y reconfigurar por software.

*Notice of Proposed Rule Making (NPRM) 8/12/00

Radio Software

• El término SR (Software Radio) fue

acuñado por Joseph Mitola III en el año

1991 para referirse a un tipo de radios

reprogramables o reconfigurables,

equipos donde un mismo elemento de

hardware es capaz de realizar diferentes

funciones, en distintos instantes de

tiempo, con la introducción de cambios en

su configuración mediante software Y. Yuan, et al. KNOWS: Kognitiv Networking Over White Spaces. En: Proceedings of 2nd IEEE International

Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks (DySPAN 2007), abril 17-20 de 2007. p416-427

Radio Software (Mitola)

• “A Software Radio is a radio whose channel modulations waveforms are defined in software. That is, waveforms are generated as sampled digital signals, converted from digital to analog via wideband DAC (Digital to Analog Converter) and the possibly upconverted from IF (Intermediate Frequency) to RF (Radio Frequency). The receiver, similary, employs a wideband ADC (Analog to Digital Converter) that captures all the channels of the software radio node. The receiver then extracts, downconverts and demodulates the channel waveform using software on a general purpose processor”.

J Mitola, “The Software Radio”, IEEE National Telesystems Conference, 1992

Motivación de la Radio Cognitiva

desde la Gestión del Espectro

Escasez de Espectro

• Estudios con mediciones han mostrado que el espectro está sub-utilizado tanto en tiempo como en frecuencia

Medidas de Espectro en la banda 900 kHz –1 GHz (Lawrence, KS, USA)

Escasez de Espectro

Concepto de Uso dinámico

Se puede

llenar con

usuarios

secundarios

Escasez de Espectro

• Un ejemplo de sub-utilización son los TV

White Spaces

DVB-T Future

DVB-T Actual

61 62 63 64 65 66 67 68 6951 52 53 54 55 56 57 58 5921 22 23 24 25 26 27 28 ...

TV1

TV2 TV3 TV4 TV5 TV6

TV2 TV3

TV1

TV4 TV5 TV6 Digital Dividend

UHF TV Bands (470-872MHz)

Licensed AllocationCognitive operation in white spaces

Caso España, proyecto CORAGE

CR en la gestión del ERE

• Uno de los “impulsores” de la radio

cognitiva es la escasez del espectro.

• Se espera entonces que la CR ayude a

mejorar la eficiencia en el uso del ERE.

Algunas normas de

Referencia

• Eficacia en la Utilización de Espectro (ITU-

R SM.1046-2)

• Factor de Utilización de Espectro

TSBU

Donde:

B es el ancho de banda

S es una superficie (Cobertura)

T es el tiempo de ocupación

Algunas normas de

Referencia

• Eficacia de utilización del espectro

(EUE)

U

MEUE

UMEUE

,

M. Efecto útil del Sistema

U: Factor de Utilización

Algunas normas de

Referencia

• Eficacia relativa de utilización del

espectro (ERE)

P

R

EUE

EUEERE

Algunas normas de

Referencia

• La Spectrum Policy Task Force reconoce los cambios en la tecnología y el profundo impacto de éstos en las políticas de espectro:

– Técnicas mejoradas de acceso pueden mitigar la escasez de espectro

– Métricas de interferencia claramente definidas pueden mejorar la utilización del espectro.

– EL Espectro puede ser parcelado en frecuencia, espacio y tiempo

ET Docket No.02-135

Modelos de Negocio de la CR

¿Cómo se cobra por el uso

dinámico?

Un modelo

Broker de Espectro

Gestor de Asignación

De Espectro

Planeación&Gestión de Red

Red Compuesta •Multiples Redes Celulares

•Broadcast

•WLAN

•etc.

Mo

nit

ore

o y

Co

ntr

ol d

e c

arga

d

e R

ed

de

Acc

eso

Asigna Espectro en ambientes compuestos

Negocia Espectro

GSM

GSM

GSM

GSM

DEC T

UM

TS

WLA N

WLA N

* * *

Frecuencia (No a Escala)

85

0

MH

z

55

0 0

MH

z

Modelos de Negocio

• Modelos de cobro por uso

– ¿Quién cobra?

• Uso secundario vs uso primario

• ¿Cómo se factura?

Retos de la CR

CR Algunos retos

Fuente: Christos Politis. Managing the Radio Spectrum. IEEE VT Magazine, march, 2009

El problema del nodo oculto

Relacion inteligencia

flexibilidad

Fuente: Christos Politis. Managing the Radio Spectrum. IEEE VT Magazine, march, 2009

Retos de Investigacion

• Componentes RF de banda ancha que permitan a los CR cubrir un rango de bandas diferentes

• Capas fisica y MAC flexibles que permitan cambiar parametros como modulación y codificacción según el espectro que encuentren libre

• Inteligencia para determinar en forma autónoma a qué espectro acceder

• Funcionalidades adicionales como conciencia de la localización (o el entorno) como parte de los mecanismos para evitar interferencias

CORAGE: Cognitive Radio for

OFDMA-based Systems in

Emergency Scenarios

Uso de WhiteSpaces

Proyecto CORAGE

Proyecto financiado por el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio de

España (Proyecto Avanza I+D ID: TSI-020100-2009-653)

Motivación del proyecto

• Rapid development/deployment of mobile

communication systems

– Increased spectrum demand

• Fixed Spectrum Access (FSA) inefficient

• Cognitive Radio (CR): Dynamic Spectrum

Access (DSA)

– Spectrum sharing between licensed &

unlicensed users

• Digital dividend offers the opportunity to

efficiently exploit spectrum

– OFDMA provides flexible spectrum operation

Oportunidades

de Espectro

Identificación de Frecuencias

Dividendo Digital y usos de la banda UHF

• Banda UHF

– Difusión de TV en 470-862 MHz

• Oportunidades en el Dividendo Digital

– Espectro descartable creado por la transición de TV analoga->digital

– Nuevas Atribuciones de frecuencias

• Ej Dedicar la banda 790-862MHz para sistemas IMT

• Permitir el uso de white spaces por dispositivos cognitivos

DVB-T Future

DVB-T Actual

61 62 63 64 65 66 67 68 6951 52 53 54 55 56 57 58 5921 22 23 24 25 26 27 28 ...

TV1

TV2 TV3 TV4 TV5 TV6

TV2 TV3

TV1

TV4 TV5 TV6 Digital Dividend

UHF TV Bands (470-872MHz)

Licensed AllocationCognitive operation in white spaces

Vista Funcional

IMS- Session Control

Services

Internet PSTN-MobNets Emergency and Security Nets.

TETRA RAN

TETRA CN

TETRAterminals

TETRA-IMS Gateway

LTEterminals

CORAGE (LTE) RAN

LTE ePCOAM (LTE)

Cognitive Radio Control

CORAGEterminals

- LTE- TETRA DMO- Wi-fi DMO- Cognitive Beacon DVB

• Redes TETRA legacy

• LTE CORAGE RAN

• Emisión DVB de espectro disponible

• Terminales CORAGE con conectividad mejorada

• Control de sesión convergente IMS

Retos y oportunidades

Oportunidades

• Aprovechamiento del Dividendo Digital

• Banda Ancha rural en Espacios en Blanco

(IEEE 802.22)

• Nuevos desarrollos

• Nuevos usos para Seguridad y

Emergencias

Retos

• Actualizar la regulación

– El tema de los espacios en blanco está

regulado en USA y Europa hace algún tiempo

• Identificar oportunidades de uso en

diferentes regiones

• Realizar estudios sobre la tecnología en

nuestro contexto

GRACIAS