Studio di tecniche Cognitive Radio per ambienti OFDMA

L’attuale tecnologia di data networking limita l’adattamento di una rete causando spesso prestazioni al di sotto di quelle ottimali. Le limitazioni sugli elementi della rete (nodi, livelli di protocollo, comportamenti e politiche) non permettono di fare adattamenti intelligenti. Gli adattamenti che vengono eseguiti sono solo di tipo reattivo ossia avranno luogo solo in seguito al verificarsi del problema.
In queste pagine si avanza l’idea di reti cognitive con l’obiettivo di eliminare queste limitazioni permettendo alle reti di osservare, agire, apprendere e ottimizzare le loro prestazioni tramite un’implementazione software degli apparati in grado di adattarsi dinamicamente all’ambiente in cui vengono di volta in volta a trovarsi.
Il concetto di rete cognitiva deriva dallo studio sulle radio cognitive (CR) o radio intelligenti presentato da J.Mitola alla fine degli anni 90 e si affianca al concetto di SDR (Software Defined Radio). Gli studi in questo ambito sono enormemente cresciuti negli ultimi cinque anni in quanto, con l’arrivo delle nuove tecnologie wireless, si è presentato un problema di gestione dello spettro delle frequenze libere. L’assegnazione delle frequenze fisse attuale consente una distribuzione semplice per la comunicazione tra sistemi su larga scala ma la limitata disponibilità e l’inefficienza dell’utilizzo dello spettro necessitano di nuove metodologie di gestione dato che secondo uno studio il 90% dello spettro è inutilizzato o non assegnato.
In particolare si parla sempre più di Cognitive Radio Systems (CRS), vale a dire sistemi radio nella loro interezza (terminale e rete) basati su capacità cognitive. Un esempio di applicazione dei CRS sono le Cognitive Networks, reti in grado di adattare il proprio comportamento in base alla conoscenza dell’ambiente in cui si trovano ad operare.
Le possibili soluzioni a medio e lungo termine, legate ai sistemi SDR e CR, coinvolgono i nodi di rete e l’allocazione dello spettro. In particolare, la disponibilità di stazioni radio base riconfigurabili può dare agli operatori strumenti aggiuntivi di gestione delle risorse radio e delle risorse elaborative in modo da raggiungere una maggiore efficienza nel loro utilizzo. D’altro canto, uno schema di gestione dello spettro di tipo dinamico potrebbe portare a scenari particolarmente disruptive che modificherebbero l’attuale regolamentazione e che sono attualmente oggetto di studio a vari livelli.
Questa tesi è incentrata sullo studio di un ambiente cognitivo tra due sistemi diversi, in particolare una rete primaria IEEE 802.16e (WiMAX) basata su tecnica OFDMA ed una rete secondaria IEEE 802.15.4 (Wireless Personal Area Network) con l’obiettivo di raggiungere una comunicazione che riesca ad utilizzare risorse di spettro non impiegate ottimizzando le prestazioni, riducendo i consumi e i relativi costi.
Per ottenere ciò è stata fatta un’analisi sui metodi di allocazione delle risorse di entrambe le reti e in seguito sono state apportate modifiche al fine di poter sfruttare una porzione di spettro della rete primaria (WiMAX) libera assegnandola alla comunicazione della rete secondaria (WPAN). Grazie alla tecnica OFDMA e al metodo di assegnazione delle sottoportanti implementato in standard IEEE 802.16, è possibile che alcuni “buchi” di frequenza si manifestino all’interno della struttura IEEE 802.16. Scopo della rete secondaria è quello di scoprire e sfruttare questi buchi per l’attuazione di una rete indipendente. In tal modo si è cercato di migliorare l’efficienza spettrale cercando di garantire allo stesso tempo la trasmissione in banda larga senza causare interferenze agli utenti primari.