Cognitive Wireless Mesh Networks with Dynamic Spectrum Access

IEEE Journal on Selected Area in Communication, Jan. 2008 issue 1

Kaushik R. ChowdhuryIan F. Akyildiz

 

Tópicos Abordados

Introdução COMNET

Arquitetura e Operação do Sistema Sensoriamento do Espectro Comutação de Canais Modelo de Interferência Analítica Algoritmo de Comutação de Canal e Banda Avaliação de Desempenho

Conclusão

 

Introdução

Wireless Mesh Network (WMN) Mesh routers (MR) Mesh clients (MC)

 

Introdução

Desempenho da WMN limitado por:

Congestionamento de canais

WLAN, Bluetooth, Forno de microonda…

Congestionamento do tráfego

Capacidade de Throughput reduzida

 

Introdução

As áreas urbanas são as mais afetadas pelo congestionamento do canal

Redes Cognitivas

 

Introdução

Principais Desafios

Como identificar que faixas do spectro estão livre para acesso

Resolver as questões de acesso com os usuários licenciados

Balancear a carga sobre todo o espectro disponível

 

Introdução

Principais Contribuições

Esquema de monitoração dos canais principais enquanto continua sua operação na banda secundária

Framework teórico para identificar as frequências primárias do transmissor através de amostras no domínio do tempo

Modelo Analítico para estimação de interferência

 

COMNET

Cognitive Mesh NETwork (COMNET)

Algoritmo de compartilhamento e sensoriamento do Spectro

Facilmente integrado com o cenário da rede em malha existente

 

COMNET – Arquitetura e Operação do Sistema

 

COMNET – Arquitetura e Operação do Sistema

Características

Cada MR e cada MC está equipado com um único transceptor IEEE 802.11b

Ajustável para qualquer uma das frequências na banda primária

Cada MR tem uma localização fixa

 

COMNET – Arquitetura e Operação do Sistema

Características:

Entre os transmissores de rádio primários tem-se as torres de Televisão/Rádio que são estáticas

MC calcula a sua distância da estação primária

 

COMNET – Arquitetura e Operação do Sistema

Características:

Os MCs periodicamente sintonizam um canal pré-decidido na banda principal

Sentem o total da potência recebida por um curto período de tempo

Estes valores detectados são comunicados pelos MCs, juntamente com suas distâncias a partir das estações primárias, para os MRs de seus respectivos clusters por piggybacking

 

COMNET – Arquitetura e Operação do Sistema

Características:

No cenário em que houver apenas comunicação ponto a ponto sem envolver o Gateway, os MRs necessitam enviar suas estatísticas, especialmente em uma freqüência pré-decidida para o Gateway

Assim os MCs x´, y´ e z´ no Cluster C1 medem a potência recebida no canal 9 e informam a mesma ao MR de seu cluster

Cada MR de um Cluster usa a proposta de solução de detecção para identificar as frequências das estações primárias

 

COMNET – Arquitetura e Operação do Sistema

Características:

As informações sobre as frequências primárias no Cluster são incluídas nos pacotes que são repassadas para a Gateway pelo MRs, atualizando assim um banco de dados centralizado no Gateway

Esta base de dados também contém o número de nós ativos em um Cluster

cluster_id, primary frequencies detected, number of nodes

 

COMNET – Arquitetura e Operação do Sistema

Características:

O Gateway faz a difusão dos dados das estações primárias para todos os Clusters da rede, isto é: C1, C2 e C3

Cada MR pode então calcular um valor aproximado de medida de interferência introduzida por seu próprio Cluster, bem como em outros

 

COMNET – Sensoreamento do Spectro

Detecção de canal com base em amostras no domínio do tempo:

Uso do backoff para sensoriar o canal

 

COMNET – Sensoreamento do Spectro

Limitação do backoff no sensoreamento do canal

 

COMNET – Sensoreamento do Spectro

Estimativa de ocupação do canal pela potência do sinal recebido não pode garantir resultados precisos

 

COMNET – Sensoreamento do Spectro

Abordagem Centralizada para sensoriamento no domínio do tempo MC sintoniza um único canal primário pré-decidido e sente

a potência recebida durante todo o período disponível Esta é essencialmente uma sobreposição da potência

recebida, devido a vários transmissores Estes transmissores podem estar em diferentes canais

 

COMNET – Sensoreamento do Spectro

Abordagem Centralizada para sensoriamento no domínio do tempo Uma pequena proporção da potência de transmissão vaza

para para o canal em que a medição é feita Assim, esta fuga de potência é em função da distância

entre os canais usados para transmissão e medição

Canal para a medição é fixado

Fuga de potência para cada transmissão é isolada de um agregado de potência recebida

 

COMNET – Sensoreamento do Spectro

A potência individual de uma canal pode ser estimada

Abordagem Decentralizada – O custo de computação é dividido igualmente entre todos os M MCs

Esta abordagem é análoga a uma implementação distribuída da técnica clássica da eliminação de Gauss, que é usada para resolver equações lineares

 

COMNET – Sensoreamento do Spectro

Abordagem Decentralizada – eliminação de Gauss

 

COMNET – Modelo de Interferência Analítico

O modelo analítico calcula o total de potência recebida numa determinada localização, entre WLANs próximas

Permite a formulação de um canal descentralizado

 

COMNET – Algoritmo de Comutação de Canal e Banda

O problema de otimização é resolvido em cada MR

Assume-se que a extensão da região em que os rádios operam é conhecida

 

COMNET – Algoritmo de Comutação de Canal e Banda

Interferência total das estações de transmissões primárias e dos Clusters recentemente comutados devem estar dentro de limites admissíveis para cada um das frequências primárias

Conjunto de restrições balanceia a carga na rede nas duas bandas

 

Avaliação de Desempenho

Efeito do aumento da potência de ruído

 

Avaliação de Desempenho

Efeito da Medição em Conjunto

 

Avaliação de Desempenho

Abordagem Centralizada e Decentralizada

 

Trabalhos Relacionados

Técnicas de Sensoriamento

Detecção não Cooperativa – Não compartilhada com outros usuários secundários

Detecção Cooperativa – as informações de sensoriamento obtidas pelos usuários secundários são compartilhadas entre si

 

Conclusão

A solução proposta neste trabalho visa a integração da soluçao rádio cognitivo com as redes mesh

O método proposto de detecção de espectro permite a identificação de frequências primárias sem transceptores adicionais e sem mudança significativa no padrão 802.11b

Embora o modelo de deteção de espectro tenha sido desenvolvido para as redes mesh, pode-se usar o mesmo para para outros tipos de redes ad-hoc

 

Conclusão

Outras técnicas de otimização do canal, tais como: modulação adaptativa, controle da taxa, de controle de energia, entre outros, podem facilmente ser incorporados na abordagem COMNET

Funcionalidade cognitivas podem ser utilizadas na abordagem Cross layer