Studio di tecniche Cognitive Radio per ambienti OFDMA

Introduzione
L’attuale tecnologia di data networking limita l’adattamento di una rete cau-
sando 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 vengo-
no 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 elimi-
nare 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 e` 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 lar-
ga scala ma la limitata disponibilita` e l’inefficienza dell’utilizzo dello spettro
necessitano di nuove metodologie di gestione dato che secondo uno studio il
vii
Introduzione viii
90% dello spettro e` inutilizzato o non assegnato.
In particolare si parla sempre piu` di Cognitive Radio Systems (CRS), vale
a dire sistemi radio nella loro interezza (terminale e rete) basati su capacita`
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 dispo-
nibilita` di stazioni radio base riconfigurabili puo` 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 e` 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, ri-
ducendo i consumi e i relativi costi.
Per ottenere cio` e` stata fatta un’analisi sui metodi di allocazione delle risor-
se 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 implemen-
tato in standard IEEE 802.16, e` possibile che alcuni “buchi” di frequenza
si manifestino all’interno della struttura IEEE 802.16. Scopo della rete se-
Introduzione ix
condaria e` quello di scoprire e sfruttare questi buchi per l’attuazione di una
rete indipendente. In tal modo si e` cercato di migliorare l’efficienza spettrale
cercando di garantire allo stesso tempo la trasmissione in banda larga senza
causare interferenze agli utenti primari.
La tesi e` organizzata come segue. Nel primo capitolo si introducono i concet-
ti principali delle reti cognitive analizzando le fasi di osservazione, appren-
dimento e ottimizzazione; nel secondo e terzo capitolo si fa un analisi dei
due sistemi presi in considerazione (WPAN e WiMAX); il capitolo 4 elenca
i principali progetti in corso d’opera per quanto riguarda i sistemi cognitive
OFDM mentre i capitoli 5 e 6 illustrano l’implementazione del progetto ed i
risultati sperimentali di laboratorio.
Capitolo 1
Le reti Cognitive
1.1 Cognitive Radio
Con il termine cognitive radio si intende la funzionalita` ulteriore di capacita`
di adattamento e intelligenza degli apparati grazie alla quale i singoli apparati
sono in grado di adattarsi alle variazioni delle condizioni radio o di traffico
tra diversi sistemi, anche in scenari che prevedano metodologie di gestione
dello spettro piu` flessibili. Il termine cognitive radio deriva da “cognizione”
e con tale termine ci si riferisce a [1]:
• Processi mentali di un individuo con particolari relazioni
• Stati mentali riferiti a desideri e intenzioni
• Elaborazione delle informazioni che coinvolgono l’apprendimento e la
conoscenza
• Descrizione dello sviluppo della conoscenza e dei concetti all’interno di
un gruppo
1
Capitolo 1. Le reti Cognitive 2
Derivante da questa definizione, la cognitive radio e` un sistema di comuni-
cazione consapevole di se´ che utilizza in modo efficiente lo spettro radio e
coordina autonomamente l’uso delle frequenze individuando gli spettri radio
non utilizzati sulla base dell’utilizzo degli stessi. La classificazione dello spet-
tro come non utilizzato e il modo in cui viene utilizzato comporta uno studio
della regolamentazione in quanto questo spettro potrebbe essere inizialmen-
te assegnato ad un sistema di comunicazione con licenza. Per consentire la
trasparenza per il consumatore, le radio cognitive forniscono oltre che cogni-
zione in materia di gestione delle risorse radio anche la cognizione di servizi e
applicazioni. I processi mentali di una radio cognitiva si basano sul cerchio di
cognizione in figura 1.1. Osservando lo stato attuale e quello passato dell’am-
biente, la radio cognitiva decide la sua azione. La Federal Communications
Commission (FCC) ha individuato [2] le seguenti caratteristiche che possono
incorporare le radio cognitive per consentire un uso piu` efficiente e flessibile
dello spettro:
- Frequency Agility - La radio e` in grado di modificare la propria fre-
quenza di funzionamento per ottimizzare il suo utilizzo adattandosi
all’ambiente.
- Dynamic Frequency Selection (DFS) - I segnali radio dei trasmettitori
vicini permettono di scegliere un ambiente di funzionamento ottimale.
- Adaptive Modulation - Le caratteristiche di trasmissione e di forma
d’onda possono essere riconfigurate per sfruttare tutte le opportunita`
per l’utilizzo dello spettro.
- Transmit Power Control (TPC) - Si ha massima potenza durante una
trasmissione singola tra due dispositivi mentre si riduce la potenza al
minimo quando si richiede una maggiore condivisione dello spettro.
Capitolo 1. Le reti Cognitive 3
- Location Awareness - La radio e` in grado di determinare la sua posizione
e la posizione degli altri dispositivi che operano sullo stesso spettro di
potenza per ottimizzare i parametri di trasmissione.
- Negotiated Use - La cognitive radio puo` avere algoritmi al suo inter-
no che consentono la condivisione dello spettro in termini di accordi
prestabiliti tra licenziatario e un terzo o su un ad-hoc/real time base.
Figura 1.1: Processo mentale di una cognitive radio basata su un ciclo cognitivo
Seguendo strettamente queste specifiche le moderne Wireless Local Area Net-
works (WLANs) possono essere considerate come cognitive radio: i dispositivi
IEEE 802.11 operano con un accesso di tipo “listen-before-talk” ossia ascol-
ta prima di parlare, cio` permette di cambiare dinamicamente le frequenze
utilizzate e controllare la loro potenza trasmessa. Nelle ultime ricerche le
cognitive radio sono chiamate anche “spectrum agile radios” per indicare
con enfasi l’uso dinamico dello spettro. Una definizione di cognitive radio
Capitolo 1. Le reti Cognitive 4
che riassume molto bene il proprio funzionamento e` la seguente formulate
da Haykin [3]: Cognitive radio e` un sistema di comunicazione wireless in-
telligente che conosce l’ambiente che lo circonda ed usa le metodologie di
“understanding-by-building” per imparare dall’ambiente e adattare il proprio
stato interno alle variazioni statistiche in ingresso causate da stimolazioni
sulle frequenze dovute a cambiamenti di alcuni parametri operativi in real-
time con due primari obiettivi: comunicazione altamente affidabile ovunque
e in ogni momento e un efficiente utilizzo dello spettro radio.
1.2 Lo spettro del canale di comunicazione
radio
La comunicazione radio avviene attraverso onde elettromagnetiche, la pro-
pagazione di queste sono determinate da leggi fondamentali della fisica. Di
solito nelle comunicazioni mobili il canale radio e` un canale non stazionario,
multipath, affetto da spostamento Doppler e diffusione.
Con la comparsa delle cognitive radio (CR) che si basano sul Software Defi-
ned Radio (SDR), per la prima volta, e` possibile adattare in modo ottimale
il modo di trasmissione per il canale e di cambiarlo se il canale e` variabi-
le. Il prezzo di questa flessibilita` e` l’obbligo di effettuare le misurazioni nel
trasmettitore e nel ricevitore, ossia un CR deve conoscere la sua posizione e
deve essere a conoscenza del suo ambiente elettromagnetico. Un CR, dopo
aver trovato una risorsa di trasmissione, deve anche essere in grado di rego-
lare in modo ottimale la potenza irradiata in modo tale che questa sia la piu`
bassa possibile ottenendo solo il QoS (Quality of Service) necessario per la
trasmissione.
Oggi l’accesso radio e` solitamente regolato da enti governativi che seguono
Capitolo 1. Le reti Cognitive 5
le direttive nazionali sull’uso dello spettro, ad esempio per il Regno Uni-
to e` l’ufficio delle comunicazioni (UFCOM), per gli Stati Uniti la Federal
Communications Commission (FCC), per la Germania il Bundesnetzagentur
(BNetzA) e in Italia il Dipartimento Comunicazioni all’interno dell’omonimo
Ministero.Lo spettro e` assegnato poi ad operatori di rete o altre organiz-
zazioni su una base a lungo termine di solito suddiviso per grandi regioni
geografiche. Recenti misure hanno indicato come questa procedura puo` por-
tare ad una scarsita` di spettro.
Per superare questa carenza si prevede per il futuro un uso dello spettro do-
ve le risorse dovrebbero essere assegnate solo se e nella misura in cui sono
necessarie, cioe`, lo spettro di accesso sara` organizzato dalla rete e dai ter-
minali utente. Certamente questa visione non diventera` realta` per tutto lo
spettro disponibile per le comunicazioni radio ma ci sono gia` applicazioni che
permettono qualcosa di simile, per esempio nelle Wireless local area network
(WLAN) band nello spettro tra 5150 MHz e 5350 MHz, come tra 5470 MHz
e 5850 MHz, l’accesso e` possibile se si rispettano dei requisiti di wireless
fidelity (WiFi). Naturalmente questo risultato determina la condizione che
i terminali di accesso alla banda WLAN devono essere in grado di evitare
collisioni con altri utenti. Un’altra strategia innovativa per il miglioramento
dell’efficienza dello spettro e` chiamata “spettro di polling” ed e` stata sugge-
rita ed elaborata da Joe Mitola [4]. L’idea dello spettro di polling e` che gli
operatori che possiedono lo spettro di licenze in qualche modo sottoutilizzate
creano un “pool” dei loro spettri per portare le proprie risorse inattive sul
mercato. Se il licenziatario autorizzato (LU - Licensed User) usa un accesso
multiplo a divisione di frequenza (FDMA) o di tempo (TDMA) come mo-
dalita` di accesso allo spettro, le risorse inattive sono facilmente identificabili
in un piano tempo/frequenza. Gli utenti noleggiatori della frequenza (RU -