O que é rádio cognitivo (CR) e como funciona?

O que é rádio cognitivo (CR) e como funciona?

O rádio cognitivo (CR) é uma forma de comunicação sem fio em que um transceptor pode detectar de forma inteligente quais canais de comunicação estão em uso e quais não estão. O transceptor então se move instantaneamente para canais vazios, enquanto evita os ocupados. Esses recursos ajudam a otimizar o uso do espectro de radiofrequência (RF) disponível.

Também minimiza a interferência de outros usuários. E, evitando canais ocupados, aumenta eficiência de espectro e melhora a qualidade do serviço (QoS) para usuários.

O espectro de RF sem fio é um recurso limitado, geralmente alocado por meio de um processo de licenciamento. Nos EUA, é responsabilidade conjunta da Federal Communications Commission (FCC) e a Administração Nacional de Telecomunicações e Informação (NTIA) A FCC administra o espectro para uso não federal (por exemplo, comercial), enquanto a NTIA faz o mesmo para uso federal (por exemplo, militar, FBI).

O espectro alocado (licenciado) nem sempre é usado de forma otimizada. Como resultado, algumas bandas estão superlotadas (por exemplo, GSM redes celulares), enquanto outras são relativamente não utilizadas (por exemplo, militares). Essa ineficiência do espectro limita a quantidade de dados que podem ser transmitidos aos usuários e diminui a qualidade do serviço.

Como o número de dispositivos conectados em uso continua a crescer, este recurso limitado está rapidamente se tornando um escasso recurso. O rádio cognitivo é uma forma eficiente de usar e compartilhar esse recurso de maneira inteligente, otimizada e justa.

bandas do espectro de radiofrequência
O rádio cognitivo otimiza o uso das bandas do espectro de radiofrequência disponíveis.

Redes e capacidades de rádio cognitivas

Joseph Mitola, do KTH Royal Institute of Technology em Estocolmo, propôs pela primeira vez a ideia de rádio cognitivo em 1998. É uma tecnologia híbrida envolvendo rádio definido por software (SDR) aplicado a espalhar espectro comunicações.

Uma rede de rádio cognitiva (CRN) é dividida em duas redes principais, uma rede primária e um rede secundária. A rede primária possui a banda licenciada e consiste na estação base de rádio primária e nos usuários. A rede secundária compartilha o espectro não utilizado com a rede primária. Consiste na estação base de rádio cognitiva e nos usuários.

Os três principais recursos que diferenciam o rádio cognitivo do rádio tradicional são:

  • Conhecimento: CR entende seu ambiente geográfico e operacional.
  • Reconfiguraçao: De acordo com esse conhecimento cognitivo, a RC pode decidir ajustar de forma dinâmica e autônoma seus parâmetros.
  • Aprendendo: CR também pode aprender com a experiência e experimentar novas configurações em novas situações.

Facetas de rádio cognitivas

As duas facetas principais usadas no CR são detecção de espectro e banco de dados de espectro.

Sensor de Espectro

Os dispositivos CR rastreiam as bandas do espectro em sua vizinhança para identificar os usuários licenciados para operar nessa banda. Eles também procuram por partes não utilizadas do espectro de RF conhecido como espaços em branco ou orifícios do espectro. Esses buracos são criados e removidos dinamicamente e podem ser usados ​​sem uma licença.

A detecção de espectro pode ser cooperativa ou não cooperativa. No método cooperativo, os dispositivos de rádio cognitivos compartilham informações de espectro, enquanto no método não cooperativo, cada dispositivo CR age por conta própria.

Requisitos de detecção de espectro em rádio cognitivo
Dispositivos de rádio cognitivos rastreiam bandas de espectro usando uma técnica chamada detecção de espectro, que vem em dois sabores (cooperativo e não cooperativo) e tem certos requisitos.

Banco de dados Spectrum

As estações de TV atualizam o uso do espectro de RF na próxima semana em um banco de dados mantido pela FCC. Dispositivos de rádio cognitivos podem buscar informações sobre espectro livre neste banco de dados, para que não tenham que depender de técnicas complexas, demoradas e caras de detecção de espectro.

A desvantagem desse método é que é difícil para o banco de dados atualizar a atividade do espectro dinâmico em tempo real. Como resultado, os dispositivos CR podem perder oportunidades de acessar o espectro não utilizado.

Para suportar o número crescente de dispositivos que usam o espectro de RF, uma abordagem combinada é útil. Ele garante que os dispositivos possam detectar com rapidez e precisão o espectro não utilizado e, assim, melhorar a QoS.

Tipos de rádio cognitivo

Os dois principais tipos de CR são heterogêneo e compartilhamento de espectro.

Em CR heterogêneo, as operadoras executam várias redes de acesso de rádio (RANs) usando protocolos de tecnologia de acesso de rádio (RAT) iguais ou diferentes. O rádio cognitivo heterogêneo usa uma abordagem centrada na rede, e o frequência bandas alocadas para os vários RANs são fixas.

No CR de compartilhamento de espectro, vários RANs compartilham a mesma banda de frequência. Eles também se coordenam entre si para usar sub-bandas não ocupadas de forma inteligente e otimizada.

Em ambos os tipos de CR, os recursos de rádio são otimizados e o QoS é muito melhor do que seria com o rádio tradicional.

Outra forma de categorizar CR é como totalmente cognitivo ou detecção de espectro. A CR cognitiva completa leva em consideração todos os parâmetros que um nó ou rede sem fio pode estar ciente. O CR com detecção de espectro detecta canais no espectro de RF.

Aplicações do rádio cognitivo

CR é uma nova tecnologia disruptiva com muitas aplicações potenciais. É por isso que também é conhecido como um rede de comunicação de última geração.

Por exemplo, o CR pode ajudar a resolver problemas de conectividade em áreas rurais. Ele também pode otimizar as operações de RF para smartphones e IoT dispositivos, redes de entrega de conteúdo, também conhecidas como redes de distribuição de conteúdo e hotspots wireless gigantes.

como funciona uma rede de distribuição de conteúdo
Considerado uma rede de comunicações de próxima geração, o rádio cognitivo é uma tecnologia disruptiva que pode otimizar a conectividade para redes de distribuição de conteúdo, dispositivos IoT, smartphones e muito mais.

Outras aplicações potenciais incluem:

De acordo com IEEE, o rádio cognitivo pode até ser usado em comunicações espaciais, particularmente longe da órbita da Terra.

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