1. i
UTILIZAÇÃO DE RÁDIOS COGNITIVOS NAS FUTURAS GERAÇÕES DE SISTEMAS DE
COMUNICAÇÃO SEM FIO
Autores:
Altieres Mariano Martins
Frederico José de Souza Gomes
Messias de Oliveira
Ricardo Emílio da Silva
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao
Instituto Nacional de Telecomunicações, como
parte dos requisitos para obtenção do Título de
Engenheiro Eletricista.
ORIENTADOR: Prof. Dr. Luciano L. Mendes
Santa Rita do Sapucaí
Julho de 2013

2. ii

3. iii
FOLHA DE APROVAÇÃO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado e aprovado em 05/07 /2013 pela comissão
julgadora:

4. iv
A nossas famílias.

5. v
AGRADECIMENTOS
Agradecemos primeiramente a Deus pelas nossas vidas e pelo conhecimento e
sabedoria que nos proporcionou para concluir este trabalho, e agradecemos as nossas famílias
que nos apoiaram durante esses cinco anos de estudos.
A todas as pessoas que de alguma forma nos ajudaram com sua amizade e conselhos
que vão ficar em nossas memorias para sempre, fica o nosso, muito obrigado.
Um agradecimento especial ao professor Dr. Luciano Leonel Mendes, nosso
orientador que nos ajudou muito com sua dedicação e conhecimento, orientando-nos de como
fazer um bom trabalho de conclusão de curso.
A todo o corpo docente do Instituto Nacional de Telecomunicações, que não mediram
esforços em nos passar seus conhecimentos adquiridos em anos de muitas pesquisas e árduos
trabalhos. Em especial ao professor Dr. Rausley Adriano Amaral de Souza, professor Dr. José
Marcos Câmara Brito, e ao Professor Msc Anderson Daniel Soares que muito nos auxiliaram
nos ouvindo e aconselhando.

6. vi
RESUMO
O objetivo deste trabalho é apresentar a utilização de rádios cognitivos nas futuras
gerações de sistemas de comunicação sem fio. Contém os princípios de rádio cognitivo,
mostrando sua importância e o porquê se estuda esta tecnologia. Algumas formas de
sensoriamento espectral também são apresentadas, mostrando como é feito a varredura no
espectro para que possa ser realizado o compartilhamento do canal sem afetar o usuário
primário (ou licenciado), que detém o direito de uso do canal. Algumas plataformas para
implementação do rádio cognitivo também serão apresentadas.
Os principais padrões que empregam a tecnologia de Rádio Cognitivo serão
apresentados neste trabalho, dando-se ênfase aos parâmetros que mais são afetados por esta
inovação. O padrão IEEE 802.22 foi o primeiro padrão de comunicação de dados sem fio a
empregar o conceito de rádio cognitivo, para viabilizar o acesso dinâmico ao espectro de
forma oportunista. Outro padrão que está em processo de desenvolvimento é o padrão IEEE
802.11af, que tem por objetivo operar na faixa de UHF juntamente com os canais de TV. Isto
é possível com a utilização das características do rádio cognitivo, que tem como principal
função fazer o sensoriamento do espectro, verificando possíveis canais que estão livres que
possam ser utilizados para que se possa fazer à agregação de canais necessária à vazão do
usuário secundário.
A tecnologia rádio cognitivo também possui uma parcela de contribuição no
desenvolvimento das redes 4G de telefonia móvel. O padrão LTE foi proposto como evolução
do sistema móvel, porém a sua nova versão LTE Advanced considera o rádio cognitivo para
atender a demanda de dados. O WiMAX 2.0, desenvolvido para ambiente móvel com base no
padrão IEEE 802.16m, também possui correlação com rádio cognitivo e apresenta
modificações com o objetivo de atender os requisitos das redes 4G.
Palavras-chaves: 4G; Alocação de Subportadoras; Modulação Adaptativa; Rádio
Cognitivo; Sensoriamento Espectral;

7. vii
ABSTRACT
The objective of this work is to present the use of cognitive radios in future
generations of wireless communication systems. Here, the principles of cognitive radio are
presented, showing the importance of this technology for the future wireless broadband
systems. Some forms of spectral sensing are also presented, clarifying how the vacant
channels, also known as white spaces, can be found without interfering in the primary users.
The main standards that employs Cognitive Radio technologies are explored in this
document, focusing on the parameters that are mostly influenced by this innovation. The
IEEE 802.22 standard was the first wireless data communication to employ the concept of
cognitive radio, to enable dynamic access to spectrum opportunistically. Another standard that
is under development will IEEE 802.11af, which aims to operate in the UHF band with TV
channels, it is possible with the use of the characteristics of cognitive radio which has the
main function to the sensing the spectrum for possible channels which are free which can be
used can be done so that the aggregation of channels required output secondary user.
Cognitive radio technology also has a share of contribution in the development of 4G
mobile networks. The LTE standard has been proposed as an evolution of the mobile system,
but its new version, called LTE Advanced, considers the cognitive radio to reach the
requested throughput. WiMAX 2.0, developed for mobile environment based on IEEE
802.16m, also has correlation with cognitive radio, and presents changes in order to reach the
requirements of 4G networks.
Keywords: 4G; Allocation of subcarriers; Adaptive Modulation; Cognitive Radio, Spectrum
Sensing;

8. viii
ÍNDICE
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................... 9
LISTA DE TABELAS............................................................................................................. 10
LISTA DE ABREVIATURAS ................................................................................................ 11
LISTA DE SÍMBOLOS .......................................................................................................... 14
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................... 15
1.
HISTÓRICO DO RÁDIO COGNITIVO .................................................................. 16
2.
NOVOS PADRÕES DE COMUNICAÇÃO SEM FIO. ............................................ 16
3.
MOTIVAÇÃO ......................................................................................................... 18
4.
OBJETIVOS ............................................................................................................ 18
5.
ESTRUTURA DO TRABALHO .............................................................................. 18
CAPÍTULO 2. INTRODUÇÃO À TECNOLOGIA DE RÁDIO COGNITIVO ................ 19
1.
PRINCÍPIOS DE RÁDIO COGNITIVO .................................................................. 19
2.
SENSORIAMENTO ESPECTRAL. ......................................................................... 20
3.
RÁDIO COGNITIVO E RÁDIO DEFINIDO POR SOFTWARE ............................. 22
4.
PLATAFORMAS PARA IMPLEMENTAÇÃO DE RÁDIO COGNITIVO.............. 23
5.
CONCLUSÕES ........................................................................................................ 25
CAPÍTULO 3. PADRÕES DE COMUNICAÇÃO SEM FIO BASEADOS EM RÁDIO
COGNITIVOS... ..................................................................................................................... 26
1.
IEEE 802.22 ............................................................................................................. 26
2.
IEEE 802.11AF ........................................................................................................ 28
3.
LTE ADVANCED ................................................................................................... 29
4.
IEEE 802.16M.......................................................................................................... 35
5.
CONCLUSÃO ......................................................................................................... 37
CAPÍTULO 4. CONCLUSÕES............................................................................................ 38
REFERÊNCIAS ...................................................................................................................... 39

9. ix
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Medição da Ocupação do Espectro. .............................................................. 15
Figura 2. Exemplo de Rede Cognitiva. ........................................................................ 19
Figura 3. Ciclo do rádio cognitivo. .............................................................................. 20
Figura 4. Estrutura básica do SDR............................................................................... 23
Figura 5. Comparação entre OFDM e OFDMA. .......................................................... 27
Figura 6. Influência da largura de banda na vazão do padrão LTE utilizando a
configuração MIMO 2X2. ........................................................................................... 31
Figura 7. Espectro subutilizado. .................................................................................. 32
Figura 8. Espectro distribuído em função da resposta em frequência do canal. ............ 32
Figura 9. Vazão do sistema LTE em função do arranjo do sistema MIMO. ................. 34
Figura 10. Relay Node utilizando torres e os próprios usuários como repetidores do
sinal. ........................................................................................................................... 35
Figura 11. Alocação de subportadoras de um algoritmo de maximização da vazão de
dados. ......................................................................................................................... 36
Figura 12. 802.16m modo Mesh .................................................................................. 37

10. x
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Principais características da camada física do padrão IEEE 802.22. .............. 28
Tabela 2 Principais parâmetros para o padrão IEEE 802.11af. ..................................... 29
Tabela 3 Principais características do LTE. ................................................................. 30
Tabela 4. Características do padrão IEEE 802.16m. .................................................... 35

11. xi
LISTA DE ABREVIATURAS
3GPP
Third Generation Partnership Project
4G
Quarta geração.
Abert
Associação Brasileira de Emissoras de Rádio e Televisão.
ANATEL
Agência Nacional de Telecomunicações.
A/D
Analógico para Digital.
BER
Bit Error Rate
CORBA
Commun Object Request Broker Architecture.
CTC
Convolutional Turbo Codes.
D/A
Digital para Analógico.
DFT
Discrete Fast Fourier.
DL
Downlink.
ERB
Estação Rádio Base
EUA
Estados Unidos da América.
FCC
Federal Communications Commission.
FDD
Frequency Division Duplex.
FFT
Fast Fourier Transform.
FPGA
Field-Programmable Gate Array.
GPL
General Public License.

12. xii
IEEE
Institute of Electric and Electronic Engineers.
IMT
International Mobile Telecommunications.
ITU
International Telecommunication Union.
LTE
Long Term Evolution.
MAC
Media Access Control.
MIMO
Multiple Input Multiple Output.
MU-MIMO
Multiuser Multiple Input Multiple Output.
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplexing.
OFDMA
Orthogonal Frequency Division Multiple Access.
OSSIE
Open Source SCA Implementation Embedded.
PHY
Physical Layer.
QAM
Quadrature Amplitude Modulation.
QoS
Quality of Service.
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying.
R8
Release 8.
R10
Release 10.
RDP
Rádio Digital Programável.
RF
Radiofrequência.
SC-FDMA
Single Carrier - Frequency Division Multiple Access.
SCA
Software Communications Architecture.

13. xiii
SDR
Software Defined Radio.
SNR
Signal to Noise Ratio.
TDD
Time Division Duplex.
TDMA
Time Division Multiple Access.
TFFT
Time Fast Fourier Transform.
TTI
Time Transmission Interval.
TV
Televisão.
EU
User Equipment.
UL
Uplink.
UHF
Ultra High Frequency.
USRP
Universal Software Radio Peripheral.
White-FI
Space-White.
Wi-Fi
Wireless Fidelity.
Wi-MAX
Worldwide Interoperability for Microwave Access.
WiNC2R
Winlab Network Centric CR.
WRAN
Wireless Regional Area Network.

14. xiv
LISTA DE SÍMBOLO
Rb
Taxa de bits.

15. CAPÍTULO 1.
INTRODUÇÃO
Em consequência da elevada demanda da utilização da conectividade sem fio, o
espectro de frequências, que é um recurso natural limitado, se esgota a cada dia, dificultando
cada vez mais implantações de redes sem fio, ou até mesmo o aumento da capacidade das já
existentes. Esse problema precisa ser superado a fim de possibilitar o contínuo avanço das
telecomunicações [1]. Não procurar uma solução para esse problema, seria como se ficar
parado no tempo no que diz respeito ao crescimento tecnológico de modo geral, uma vez que
qualquer tecnologia que venha a ter como base o uso do espectro de frequência não seria
viável, já que o mesmo estaria bloqueado para novas aplicações.
A questão da ocupação espectral se torna um ponto importante quando há escassez
desse recurso. Conforme mostra a Figura 1, reproduzida de [2] com autorização do autor,
nem todos os sistemas licenciados ocupam durante 100% do tempo a banda destinada para a
sua operação. Isso significa que embora uma determinada faixa do espectro esteja restrita ao
uso de uma dada tecnologia, esta faixa não é efetivamente utilizada durante todo o tempo.
Essa constatação abre espaço para uma nova forma de utilização do espectro de frequências,
denominada de acesso dinâmico ao espectro [3]. Para que um terminal possa acessar o
espectro de forma oportunista é necessário que o mesmo tenha conhecimento das condições
espectrais na região em que se encontra. Essa capacidade de análise e de conhecimento das
condições espectrais está associada aos Rádios Cognitivos [4].
Figura 1. Medição da Ocupação do Espectro.
15

16. A tecnologia de Rádios Cognitivos nasceu no fim do século XX e está sendo
considerada nos futuros padrões de comunicação sem fio e, por esta razão, vem sendo
amplamente estudada e desenvolvida em diversos centros de pesquisa no mundo.
1. HISTÓRICO DO RÁDIO COGNITIVO
Um sistema de radiocomunicação digital clássico é formado por um conjunto de
circuitos eletrônicos que realizam procedimentos que não podem ser alterados ao longo do
tempo. Tipicamente, estes rádios podem operar dentro de uma larga faixa de frequências, mas
a mudança de uma faixa de operação para outra requer a intervenção de um operador humano
e, normalmente, resulta em queda do enlace de comunicação durante a mudança [5]. Em 1993
Joseph Mitola iniciou os estudos sobre SDR (Software Defined Radio) [6] que é um rádio
definido por software, capaz de mudar os procedimentos realizados durante a comunicação de
forma dinâmica e sem a necessidade de mudança do hardware. Em 1999, Joseph Mitola
utilizou o conceito de cognição, que é o processo de tomar decisões e resolver problemas
através da aquisição de conhecimentos com experiências passadas [7], para propor uma nova
classe de rádios, capazes de identificar canais ociosos e utilizá-los de forma oportunista. Estes
rádios também são capazes de perceber quando um usuário primário [8] inicializa a utilização
do canal e, após esta constatação, o rádio cognitivo é capaz de mudar de faixa de operação
sem causar interferências nos detentores da licença de uso do canal. Desta forma, a tecnologia
de rádio cognitivo possibilita o uso mais eficiente do espectro de frequências, pois explora os
canais de comunicação destinados a outros serviços apenas enquanto estes estão ociosos.
2. NOVOS PADRÕES DE COMUNICAÇÃO SEM FIO.
A evolução das técnicas de comunicação sem fio permite o surgimento de novos
padrões a uma alta velocidade. Não são incomuns novas versões de padrões de comunicação
sem fio consolidados serem anunciadas praticamente todos os anos, tal como é possível
observar com o Wi-Fi (Wireless Fidelity) [9]. O advento da tecnologia de rádio cognitivo está
motivando o surgimento de uma nova série de padrões de comunicação sem fio que visam
atender as mais diferentes demandas da sociedade moderna.
O padrão IEEE 802.22 [10] foi o primeiro padrão de sistema de comunicação de dados
sem fio a empregar o conceito de rádio cognitivo. Este padrão foi baseado no Wi-MAX
(Worldwide Interoperability for Microwave Access) [11], mas visa atender grandes áreas de
16

17. cobertura em uma rede sem fio regional (WRAN – Wireless Regional Area Network) [12]
empregando os canais de TV de UHF não utilizados. Este padrão é uma solução interessante
para viabilizar acesso à Internet em regiões de baixa densidade populacional, como áreas
rurais e regiões limítrofes de grandes centros, ou seja, regiões pobremente atendidas pelas
tecnologias de acesso à Internet convencional [10].
Já o padrão IEEE 802.11af [13] também denominado de White- FI é uma derivação do
padrão Wi-Fi que opera de forma oportunista na faixa de UHF. Este padrão busca utilizar as
excelentes condições de propagação da faixa de UHF para viabilizar maiores áreas de
cobertura sem visada direta. A tecnologia de rádio cognitivo será empregada para evitar que
os sinais deste padrão causem interferência nos sinais de TV [13].
A tecnologia de rádio cognitivo também está afetando os sistemas de quarta geração
(4G) [14] de telefonia móvel celular. O LTE (Long Term Evolution) Release 8 (R8) [15], foi
desenvolvido para prover altas taxas de transmissão. No entanto, sua nova versão,
denominada de LTE Advanced Release 10 [15], já considera a utilização de técnicas de rádio
cognitivo para explorar a utilização da faixa de UHF.
Já o IEEE 802.16m, que é a mais recente atualização do padrão Wi-MAX, também
considera a utilização da ocupação oportunista do espectro [16].
Assim, espera-se que haja uma consolidação em torno desta nova forma de utilizar o
espectro de frequência nos futuros sistemas de comunicação sem fio. Isso irá exigir mudanças
nas formas de outorgas e fiscalização do uso do espectro por parte dos órgãos reguladores. No
Brasil a ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações) é o órgão a que compete à
regulamentação do setor de telecomunicações.
Com base nas necessidades de avanços rumo a soluções para a crescente demanda do
uso de comunicação sem fio, o FCC (Federal Communications Commission) [17], órgão
responsável pelas regulamentações dos sistemas de comunicações dos EUA (Estados Unidos
da América), permitiu em 2008, para uso não licenciado, a utilização dos intervalos em
branco de frequências entre os canais de TV analógica. Em 2010, aprovou regras para uso
desses intervalos e dos canais liberados da TV Digital [18].
Uma grande dificuldade da ANATEL para regulamentar a operação do rádio cognitivo,
é garantir que não ocorram interferências na operação primária. Segundo as normas da
17

18. ANATEL, a utilização da frequência do operador primário na mesma área de concessão (ou
em qualquer área) por um usuário que não possua a concessão, implica em uma infração em
que a legislação determina ao infrator o desligamento de seus equipamentos para não
interferir na operação primária, que não pode sofrer a interferência de qualquer outro sinal
[19].
Outra preocupação da ANATEL e de técnicos da ABERT (Associação Brasileira de
Emissoras de Rádio e Televisão), para o uso de rádio cognitivo, é a garantia de que a
tecnologia possua a capacidade de encontrar problemas relacionados à interferência na
recepção do serviço de rádio difusão [18].
3. MOTIVAÇÃO
Para os profissionais que atuam na área de telecomunicações, é de suma importância o
estudo da influência do rádio cognitivo nos próximos padrões de comunicação sem fio. Por
intermédio desta tecnologia serão abertos novos horizontes, como por exemplo, a melhor
utilização do espectro eletromagnético e aumento da vazão, que pode ser viabilizada pela
utilização de um esquema de comunicação adaptativa, previsto nos futuros padrões de
comunicação sem fio de faixa larga.
4. OBJETIVOS
Este trabalho tem como objetivo a apresentação da tecnologia Rádio Cognitivo nas
futuras gerações de sistemas de comunicações sem fio, explorando os impactos na sociedade
causados por esta nova forma de utilizar o espectro de frequências.
5. ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho está dividido em quatro capítulos, organizados da seguinte forma:
O Capítulo 2 apresenta os princípios do rádio cognitivo. O Capítulo 3 aborda os padrões
de comunicações sem fio que são baseados em rádio cognitivo e, finalmente, o Capítulo 4 traz
as conclusões e considerações finais do trabalho.
18

19. CAPÍTULO 2.
INTRODUÇÃO À TECNOLOGIA DE RÁDIO
COGNITIVO
Este capítulo mostra a importância do rádio cognitivo como solução para melhor
utilização do espectro, bem como mostra que o conceito de SDR está ligado com o rádio
cognitivo, apresentando algumas formas de sensoriamento e algumas plataformas para
implementação do mesmo.
1. PRINCÍPIOS DE RÁDIO COGNITIVO
Como alternativa para resolver o problema de escassez espectral, o rádio cognitivo
usufrui da capacidade de compartilhar o espectro eletromagnético. Duas características
básicas do rádio cognitivo são a capacidade cognitiva e a reconfigurabilidade. Um rádio com
a capacidade cognitiva é capaz de conhecer o meio em que se opera, pois este rádio tem como
principal diferencial o fato de operar como usuário secundário na faixa de frequência do
usuário primário [8] de forma oportunista [20], nos espaços espectrais não utilizados, ou não
utilizados em 100% do tempo [21]. A Figura 2 ilustra uma rede cognitiva, onde a qual além
de não provocar interferência no usuário primário, libera a faixa quando o usuário primário
volta a transmitir. Mas para isso, é necessário usufruir de sua reconfigurabilidade para se
adequar ao próximo canal que será alocado. E este evento de conhecimento e aprendizagem,
do qual o sensoriamento espectral faz parte, é um dos mais importantes fatores para a
viabilidade e funcionamento da tecnologia rádio cognitivo [21].
Figura 2. Exemplo de Rede Cognitiva.
19

20. A Figura 3 ilustra o ciclo do rádio cognitivo. Este ciclo é iniciado com o sensoriamento
espectral, onde informações sobre os canais livres e ocupados são levantadas. Os dados
provenientes do sensoriamento são processados e armazenados no ciclo de aprendizagem,
onde as estatísticas dos diversos canais são observadas para guiar as decisões sobre ocupação
oportunista. Uma vez determinado que um dado canal possa ser alocado de forma oportunista
por um dado intervalo de tempo, o rádio altera suas características de transmissão e recepção
para se adequar às condições de comunicação do novo canal. O processo de sensoriamento de
canal é realizado periodicamente para certificar que um usuário primário não iniciou a
comunicação no canal em uso pelo rádio cognitivo e também para determinar novas
oportunidades de transmissão em outros canais ociosos.
Espectro eletromagnético
Sensoriamento
espectral
Aprende
Se adapta ao meio
Decide
Figura 3. Ciclo do rádio cognitivo.
2. SENSORIAMENTO ESPECTRAL.
O método de sensoriamento espectral tem como objetivo distinguir quais canais de
comunicação estão livres e quais estão ocupados [22]. O sensoriamento espectral deve ser
periodicamente realizado dentro da largura de faixa ocupada pelo rádio cognitivo para evitar
que haja interferência com um usuário primário cuja transmissão iniciou-se depois do rádio
cognitivo alocar o canal. Isso significa que o rádio cognitivo deve suprimir a sua comunicação
de tempos em tempos para realizar o sensoriamento do canal. Esta atividade acaba por reduzir
a vazão do rádio cognitivo [23].
20

21. Outra questão relevante é o problema do usuário primário oculto, que é causado por
algum desvanecimento profundo (propagação por múltiplos percursos), assim o rádio
cognitivo pode ver aquele instante de tempo como uma oportunidade de transmissão
ocasionando assim uma colisão com o usuário primário. Uma possível solução para amenizar
este problema seria a utilização do sensoriamento colaborativo, onde os usuários secundários
compartilham informações provenientes do sensoriamento, reduzindo a possibilidade da não
detecção de um usuário primário. Este tipo de sensoriamento pode ser centralizado, onde
todos os usuários enviam os dados do sensoriamento para um nó central responsável pela
tomada de decisão, ou distribuído, onde as decisões são tomadas pelos nós sem a supervisão
de um nó central [24].
Existem diversas técnicas de sensoriamento espectral como detecção de energia,
cicloestacionariedade e filtro casado [25]. Na técnica de detecção de energia, a energia
presente em cada canal é medida pelos terminais de rádio cognitivo e comparada com um
limiar. Se o valor medido for maior do que o limiar estabelecido, então considera-se que o
canal está ocupado. Caso o valor medido seja inferior ao limiar, então o canal é classificado
como ocioso. O maior problema desta técnica é seu baixo desempenho no que se refere a
probabilidade de detecção e probabilidade de falso alarme. Na técnica cicloestacionária, os
terminais de rádio cognitivo realizam a análise da transformada de Fourier da autocorrelação
do sinal medido em cada um dos canais, comparando o resultado com a assinatura espectral
das possíveis tecnologias que possam ocupar a banda de frequência. Esta técnica apresenta
um melhor desempenho com relação a probabilidade de detecção e de falso alarme quando
comparada com a técnica de detecção de energia, porém o tempo necessário para o
processamento é elevado, o que pode inviabilizar sua utilização para tomadas rápidas de
decisão. A técnica de filtro casado consiste em demodular a informação transmitida pelos
usuários primários utilizando um receptor compatível com a camada física dos usuários
primários. Essa técnica, que apresenta desempenho ótimo no que se refere a capacidade de
detecção, não é utilizada largamente na prática por que requer que o rádio cognitivo seja
capaz de demodular os sinais de todas as tecnologias que possam utilizar uma dada faixa de
frequência [26] [25].
21

22. 3. RÁDIO COGNITIVO E RÁDIO DEFINIDO POR SOFTWARE
O SDR é construído em torno de software com base em processamento digital de sinais,
apresenta uma plataforma de rádio genérico flexível, sua camada física é composta por blocos
implementados em software. A maior parte das funções realizadas em um equipamento de
rádio convencional são realizadas no SDR por meio de um software. O SDR é um rádio que
pode implementar novas funcionalidades para atender uma demanda que não foi prevista no
momento de concepção do sistema [27].
Grande parte do processamento de sinais do SDR é realizada por um processador de
propósito geral, o que permite ao SDR receber e transmitir diferentes protocolos de rádio [26].
O SDR é capaz de operar em diferentes bandas, modulações, formatos de onda e em uma
ampla gama de frequências, com isto o SDR pode suportar diversos padrões como o GSM
(Global System for Mobile); EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) e WCDMA
(Wide-Band Code-Division Multiple Access). Podendo também, suportar diversas tecnologias
de múltiplo acesso como TDMA (Time Division Multiple Access); CDMA (Code Division
Multiple Access); OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) e SDMA
(Space Division Multiple Access) [27].
A Figura 4 mostra o diagrama de blocos da estrutura de um SDR ideal. A antena
inteligente, o hardware flexível, os conversores A/D e D/A compõem o módulo front-end RF.
Através da antena inteligente, que é capaz de alterar o seu diagrama de irradiação
dinamicamente em função das mudanças do ambiente, o sinal RF de entrada é detectado e
entregue ao hardware flexível. Neste hardware flexível encontram-se, por exemplo,
amplificador de baixo ruído para regenerar o sinal, Up Converter para transladar o sinal para
uma frequência intermediária, e filtros. O sinal analógico é entregue ao conversor analógico
digital que o converte para o formato digital e o entrega ao processador [28].
Em função das variações da resposta do canal o SDR pode alterar características como a
frequência de operação, o tipo de modulação utilizada e potência de transmissão [28]. É
importante distinguir o SDR de um rádio controlado por software. No rádio controlado por
software as funções do rádio são controladas por programa, sendo as funções constituídas por
hardware.
22

23. O rádio cognitivo se baseia no conceito de SDR, onde grande parte das funções do
dispositivo de comunicação sem fio é realizada por um programa operando em processadores
de uso geral. O rádio cognitivo opera consciente do seu ambiente, de seu estado de
configuração, de sua localização, e ajusta de forma autônoma suas operações [29], possui a
capacidade de aprender e tomar decisões a partir de experiências. É essencial no rádio
cognitivo a utilização do aprendizado para influenciar decisões futuras do rádio [29].
Antena
Inteligente
A/D
Hardware
Flexível
Processamento
D/A
Figura 4. Estrutura básica do SDR.
Para viabilizar esse processo é fundamental que o rádio tenha capacidade de se
reconfigurar, permitindo inclusive que novas funcionalidades sejam agregadas a camada física
e MAC (Media Access Control) para atender uma nova demanda [27], o que torna o SDR a
plataforma ideal para a implementação desse tipo de sistema [30].
4. PLATAFORMAS PARA IMPLEMENTAÇÃO DE RÁDIO COGNITIVO
As plataformas para implementação de rádio cognitivo são um conjunto de ferramentas
de hardware e software utilizadas para implementar esse tipo de rádio.
O SCA (Software Communications Architecture) [31] é uma infraestrutura de software
aberta, voltada para o desenvolvimento de SDR, desenvolvida pelo Departamento de Defesa
dos EUA. Na arquitetura SCA, uma aplicação de rádio é denominada “formas de onda”, são
transformações realizadas para superar distúrbios provenientes seja de interferência de rádio,
seja de propagação no ambiente.
O SCA foi desenvolvido para ser capaz de suportar plataformas de diferentes
capacidades. A capacidade de suportar plataformas de diferentes capacidades juntamente com
o padrão de forma de onda, melhora a portabilidade das aplicações de rádio. A infraestrutura
23

24. de software do SCA define um ambiente operacional comum, provendo implantação de
diferentes arquiteturas de hardware em diferentes plataformas [31].
A OSSIE (Open Source SCA Implementation Embedded) [32] é um software de código
aberto, cujo código fonte é disponibilizado para o uso, estudo ou redistribuição. Este software
foi um esforço para desenvolvimento do SDR. A OSSIE foi desenvolvida especificamente
para pesquisas de rádios cognitivos. Ele é baseado na arquitetura SCA, e é usado para
implementação do SDR, fornecendo um ambiente completo de desenvolvimento de software.
Uma das ferramentas de desenvolvimento de software para implementação do SDR é o
GNU Radio[33], licenciado pela GPL (General Public License) [33]. O GNU Radio é muito
utilizado por ser uma biblioteca de software aberta. No GNU Radio, como em qualquer rádio,
o mesmo é implementado com processamento de sinais digitais e fluxo de dados, sendo que
os blocos de processamento de sinais digitais são escritos na linguagem C++ e a linguagem
Phython é utilizada para criar uma rede para ligar os blocos entre si [33].
Juntamente com o GNU Radio tem-se o USRP (Universal Software Radio Peripheral),
formando uma plataforma para construção do SDR. O USRP [34] é uma plataforma para
desenvolvimento de SDR, com preço acessível e desenvolvido pela Ettus Research, que foi
adquirida pela multinacional National Instruments [35]. Esta plataforma é projetada de forma
a permitir que um computador de uso geral seja usado como plataforma de SDR de banda
larga [36]. Os componentes principais que compõe o circuito do USRP são a placa mãe, que é
responsável por todas as funções programáveis mais complexas, e a placa filha, que é onde
fica o módulo de RF (Radiofrequência) [35].
A plataforma WiNC2R (Winlab Network Centric CR) [35] integra os software GNU
Radio às camadas físicas e de controle de acesso ao meio, e CogNet para as funcionalidades
das camadas superiores da pilha de protocolos. Outra característica desta plataforma é que ela
suporta vários padrões de comunicação sem fio. A Plataforma WiNC2R permite que o fluxo
de dados seja escolhido em tempo de execução durante seu processamento e para isso, são
implementados alguns mecanismos de sincronização [35]. Usando sua arquitetura de
software, a WiNC2R tem grande flexibilidade e, tem alta velocidade de operação devido a sua
plataforma de hardware [37].
24

25. Já a plataforma CORBA (Common Object Request Broker Architecture) [38] é uma
arquitetura de infraestrutura aberta que os computadores usam para trabalhar conectados junto
a uma rede. O CORBA permite que programas escritos em linguagens diferentes rodando em
computadores diferentes, trabalhem juntos em uma mesma aplicação ou serviço [39].
5. CONCLUSÕES
A tecnologia rádio cognitivo é tema de várias pesquisas que estão sendo realizadas para
encontrar uma solução eficiente para utilização do espectro. Com o espectro eletromagnético
congestionado fica difícil a implantação de novas tecnologias, como por exemplo, o LTE.
Com base nos estudos pode-se concluir que o rádio cognitivo influenciará positivamente na
melhora das técnicas de transmissão de rádio, possibilitar banda larga em lugares ainda sem
Internet e possibilitar aumento nas redes já existentes.
25

26. CAPÍTULO 3.
PADRÕES
DE
COMUNICAÇÃO
SEM
FIO
BASEADOS EM RÁDIO COGNITIVOS
Este capítulo mostra a influência do rádio cognitivo nos futuros padrões de
comunicação sem fio e os objetivos que se almejam com o uso dessa tecnologia. As principais
características dos padrões de comunicação também serão apresentadas para permitir um
melhor esclarecimento de como a cognição pode beneficiar o sistema de comunicação.
1. IEEE 802.22
O IEEE 802.22 é um padrão voltado para conectividade em localidades distantes dos
grandes centros urbanos. Este padrão emprega a tecnologia de rádio cognitivo para viabilizar
o acesso dinâmico ao espectro de forma oportunista, revolucionando a forma de utilização do
espectro de frequência. Este padrão foi baseado no Wi-MAX [11] e foi o primeiro padrão de
comunicação de dados sem fio a empregar o conceito de rádio cognitivo, tornando-se uma
solução interessante para viabilizar o acesso à Internet em regiões de baixa densidade
populacional.
No padrão IEEE 802.22, emprega-se um método inovador de compartilhamento no
domínio espacial, que é o reuso de frequência para viabilizar dois enlaces distintos com
terminais em localidades diferentes. Outro diferencial do padrão é que os terminais alocam
dinamicamente canais de TV de VHF e UHF que não estão ociosos, melhorando o uso do
espectro de frequências [40].
O IEEE 802.22 visa atender grandes áreas de cobertura em uma rede sem fio regional
WRAN [12], podendo formar células de até 100 km de diâmetro. Isso somente é possível
graças à capacidade de análise do canal de comunicação e da técnica de comunicação
adaptativa empregadas no IEEE 802.22. Como os usuários podem experimentar condições de
comunicação distintas com a ERB (Estação Rádio Base), a comunicação adaptativa oferece
uma grande flexibilidade para o sistema, pois permite que os parâmetros de comunicação de
cada enlace sejam definidos em função destas condições. A capacidade cognitiva do rádio
permite estabelecer uma melhor relação de compromisso entre vazão e robustez em função do
canal de comunicação, o que significa que usuários submetidos a melhores condições de
26

27. propagação estão aptos a atingir vazões mais elevadas do que os usuários que experimentam
condições mais severas [40].
Este padrão, assim como praticamente todos os demais padrões de comunicação banda
larga, emprega o OFDM. Hoje se busca cada vez mais eficiência de transmissão, e uma forma
de aumentar a eficiência é compartilhando subportadoras de um símbolo OFDM com
múltiplos usuários. Essa técnica se chama OFDMA, e consiste em alocar subportadoras de um
mesmo símbolo OFDM para diferentes usuários, viabilizando o múltiplo acesso. Com esta
técnica é possível compartilhar os recursos de um símbolo OFDM entre usuários que não têm
demanda para utilizar todas as subportadoras. A Figura 5 [41], ilustra o diferencial de se
utilizar OFDMA em relação ao OFDM.
Subportadoras
Subportadoras
Símbolos (Tempo)
Símbolos (Tempo)
Usuário 1
Usuário 2
Usuário 3
OFDM
OFDMA
Figura 5. Comparação entre OFDM e OFDMA.
A principal função do rádio cognitivo neste padrão é gerenciar o acesso dinâmico ao
canal [42]. Em redes convencionais, o sensoriamento espectral trata-se de utilização de
recursos e de prover qualidade de serviço, mas em redes cognitivas, o gerenciamento do canal
adiciona uma proteção ao usuário primário, ou seja, um dos parâmetros chave para
gerenciamento do canal é a monitoração do usuário primário.
No padrão IEEE 802.22, o sensoriamento espectral realiza medidas nos diferentes
canais de comunicação para determinar quais canais estão livres e quais canais estão
ocupados. As informações dos canais ficam em um banco de dados, e este banco de dados
disponibiliza para a ERB as informações dos canais disponíveis em certa região por um
servidor autenticado pelo órgão regulamentador. Este banco de dados pode ser acessado por
qualquer dispositivo de rádio cognitivo sem nenhum custo operacional, e nele irá conter os
27

28. canais disponíveis em determinada localidade e a potência máxima que poderá ser transmitida
sem causar interferência no usuário primário [42].
As principais características da camada física do padrão IEEE 802.22 estão apresentadas
na Tabela 1.
Tabela 1. Principais características da camada física do padrão IEEE 802.22.
Parâmetro
Modulações
Códigos Convolucionais
Método de Acesso Múltiplo
Largura de Faixa
Eficiência espectral média
Valor
QPSK, 16-QAM, 64-QAM
1/2, 3/4, 2/3
OFDMA / TDMA
6, 7, 8 MHz
3 bit/s/Hz
2. IEEE 802.11AF
O IEEE 802.11af é um padrão da familia Wi-Fi que opera na faixa de UHF. Este padrão
foi criado pelo IEEE 802.11 WG (Work Group) a partir das especificações do IEEE 802.11n,
porém com a capacidade de alocar dinamicamente os canais de TV não ocupados na
localidade de operação da rede. Uma vantagen de se trabalhar na faixa de TV digital é que ela
é um canal estático e previsível facilitando o sensoriamento [43].
Para fazer a alocação dos canais de TV não utilizados, o rádio cognitivo define
modificações nas camadas MAC (Media Access Control) e PHY (Physical Layer). A camada
Física deve ter a capacidade de se adaptar a diferentes condições e ter flexibilidade para
mudar de um canal para outro, em função das consdições de comunicação, e também
conseguir se ajustar a largura de banda disponível. A camada MAC, com o auxílio do rádio
cognitivo, pode melhorar a técnica de cooperativismo, que consiste em que cada elemento da
rede faz o sensoriamento espectral antes de transmitir, isso também é conhecido como “ouvir
antes de falar”. Isso contribui para que a utilização do IEEE 802.11af na faixa de TV sem que
ocorram interferências [44].
Neste padrão, funções cognitivas são realizadas usando a gestão de potência do canal e
um mecanismo de alocação dinâmica de canais. A função cognitiva também é responsável por
não permitir interferência no canal das emissoras de TV dependentes que operam sob o
controle de orgãos reguladores. Utilizando funções cognitivas neste padrão através de um
servidor seguro registrado como mencionado anteriormente no padrão IEEE 802.22, o
gerenciamento da potência do canal também é usado para atualizar a lista de canais
28

29. disponíveis para que a respectiva rádio base altere a potência máxima de transmissão,
frequência do canal e largura do canal.
O sensoriamento espectral é ponto fundamental para a utilização do rádio cognitivo,
sendo responsável por manter as informações de disponibilidade de espectro, seleção do
canal, gestão do canal e operação de agendamento de sensoriamento do espectro. Pelo fato de
operar em uma faixa de frequência abaixo de 1 GHz, o padrão IEEE 802.11af possibilita
alcançar uma área maior de cobertura [45].
Este padrão pode operar com até quatro canais de 6 MHz de largura de banda, que
podem ser agregados de forma adaptativa, de acordo com a disponibilidade. Esta adaptação
ou agregação de canais é uma tarefa do rádio cognitivo, que pode verificar qual canal possui
melhores condições para serem utilizados em função da necessidade do usuário secundário
[46]. A Tabela 2, reproduzida de [47], apresenta os principais parâmetros do padrão IEEE
802. 11af.
Tabela 2. Principais parâmetros para o padrão IEEE 802.11af.
Parâmetro
Técnica de transmissão
Taxa de Transmissão Rb Mbit/s
Taxa de Codificação
Espaçamento entre Subportadoras
em kHz
Número total de subportadoras
Modulação
Valor
OFDM
3,6
7,3
16,3
17,1
½
¾
5/6
78,125
156,25
312,5
64
QPSK
16QAM
64QAM
3. LTE ADVANCED
Com o crescente número de usuários para a utilização de dispositivos móveis, é
necessário que as operadoras de telefonia móvel implantem melhorias que possibilitem não
apenas o ingresso de novos usuários, mas também possibilitem o aumento da vazão para
usuários já existentes.
29

30. O LTE vem se destacando como o principal padrão de telefonia móvel celular de quarta
geração. Este padrão foi definido pelo 3GPP (Third Generation Partnership Project) e já está
em operação em diversos países ao redor do globo. Exemplo disso são os Estados Unidos e
Canadá, e até mesmo o Brasil, que está previsto 900 mil conexões LTE até o final de 2013,
segundo a revista Exame [48]. A Tabela 3 mostra as principais características do padrão LTE
[49].
O padrão LTE não atende algumas especificações exigidas pela ITU (International
Telecommunication Union) e, por isso, um novo padrão foi proposto para a 4ª geração do
sistema móvel celular. Este novo padrão é o LTE Advanced, que emprega algumas
tecnologias associadas ao rádio cognitivo. A finalidade do rádio cognitivo neste padrão é
possibilitar o uso do espectro de forma dinâmica e automática, de maneira a alocar espectro
de acordo com a necessidade e disponibilidade encontradas nas mais diversas situações, tanto
do espectro quanto as taxas exigidas pelo usuário.
Tabela 3 Principais características do LTE.
Forma de Acesso
Uplink-UL
Downlink-DL
Largura de faixa em MHz
(Time Transmission Interval - Mínimo
Espaçamento entre Subportadoras
Curto
Tempo de guarda
Longo
Modulação
Multiplexação espacial
SC-FDMA ( Single Carrier - Frequency
Division Multiple Access)
OFDMA
1,4
3
5
10
15
20
1 ms
15 kHz
4,7 µs
16,7 µs
QPSK
16QAM
64QAM
Camada única para UL por usuário
Até 4 camadas para DL por usuário
Multi-User MIMO Suportado por UL e DL
A subutilização do espectro também é caracterizada pela atribuição recursos para
usuários. Para explorar esses recursos com eficiência é necessário ter conhecimento das
condições do canal de comunicações. Com a aquisição conhecimentos, torna-se possível o
aumento da largura de banda com agregação de canais de usuários que não estiverem
transmitindo em um dado momento, ou seja, os canais subutilizados podem ser
30

31. compartilhados com usuários secundários. Está especificado para o padrão LTE Advanced a
possibilidade de utilizar essa técnica de agregação de canais, podendo agregar até 5 canais de
20 MHz, totalizando uma banda de 100 MHz [41]. Com a utilização de rádio cognitivo, em
sua consepcão mais futurística, essa agregação de canais poderá ser dinâmica e automática.
Com o aumento da largura da banda utilizada é possível aumentar a taxa de transmissão, o
que justifica o compartilhamento do espectro eletromagnético por meio da utilização da
tecnologia rádio cognitivo.
A Figura 6, reproduzida de [41] com autorização dos autores, obtida utilizando a
configuração MIMO 2X2 e modulação 16-QAM, evidencia a influência da largura de banda
na taxa de transmissão.
Figura 6. Influência da largura de banda na vazão do padrão LTE utilizando a configuração MIMO 2X2.
Além de possibilitar alocação dinâmica do espectro para aumentar a largura da banda, o
rádio cognitivo na camada MAC, também possibilita a otimização do espectro das
subportadoras OFDMA. Este, se não for distribuído levando-se em conta a resposta em
frequência do canal, pode ficar subutilizado acarretando uma vazão de bits inferior a
conseguida com a otimização [44]. A Figura 7 ilustra o espectro subutilizado por
subportadoras OFDMA, onde as linhas contínuas representam subportadoras, destinadas á
usuários e as linha tracejadas representam as respostas em frequência do canal. Observando a
Figura 7 é possível concluir que a alocação das subportadoras não foi feita levando-se em
consideração a resposta em frequência dos canais experiementados por cada usuário, uma vez
que as subportadoras alocadas para cada usuário sofrem fortes atenuações. Desta forma, a
31

32. vazão de dados de cada usuário não é máxima, constituindo a subutilização do espectro de
frequências.
Resposta do Canal
Subportadoras
Resposta do Canal
Usuário 1
Usuário 2
Usuário 3
Figura 7. Espectro subutilizado.
Com o rádio cognitivo, é feito o sensoriamento espectral, em uma concepção mais
ampla, para distribuir as subportadoras alocadas de acordo com suas respectivas resposta em
frequência do canal, objetivando sempre melhorar o rendimento do sistema de forma
dinâmica e automática [44]. A Figura 8 ilustra o espectro das subportadoras OFDMA
otmizado. Nesta situação o sensoriamento vai além de apenas detectar quais canais estão
livres para serem utilizados de forma oportunista, como proposto por Mitola em sua
consepção inical na década de 90. A linhas contínuas representam subportadoras que, além de
alocadas conforme a demanda, foram distribuídas de maneira a explorar melhor os canais por
meio da análise da respostas em frequência de cada canal que, nesta figura, são representadas
por linhas tracejadas.
Resposta do Canal
Subportadoras
Resposta do Canal
Usuário 1
Usuário 2
Usuário 3
Figura 8. Espectro distribuído em função da resposta em frequência do canal.
Para que a alocação dinâmica de recursos seja eficiente, é necessário utilizar um
esquema de modulação adaptativa [44]. Na determinação do número de bits por símbolo da
32

33. modulação adaptativa, deve se levar em conta a BER (Bit Error Rate) tolerada, a resposta em
frequência do canal na frequência da subportadora, a potência disponível e o nível de ruído no
receptor. Também são necessários algoritmos de alocação de recursos que determinem a
alocações de subportadoras e seus respectivos débitos binários em função da estimação das
características de cada canal de comunicação. Estes algoritmos, detalhados [44], têm como
objetivo aumentar a vazão do sistema, analizar as demanda mínimas de cada usuário para
fazer a alocação e, ainda, diminuir a potência de cada usuário caso não seja necessário
aumentar a vazão para atender as demandas.
Outra proposta futurística pra o LTE Advanced, operando em um cenário que todos os
dispositivos da rede possuem rádio cognitivo com a função de sensoriamento espectral, seria
o usuário poder informar a ERB sobre a disponibilidade de canais não utilizados de outra
ERB em sua região. Isso é conhecido como sensoriamento espectral distribuído [50]. Também
tem-se o sensoriamento espectral centralizado, onde todos os dispositivos com capacidade de
sensoriamento enviam as informações sobre o espectro de frequências em sua localidade para
um nó central, que tem a responsabilidade de definir quais são as frequências que podem ser
utilizadas de forma oportunista [50]. Tipicamente, o papel de nó central neste tipo de
sensoriamento é executado pela ERB, que envia as informações necessárias para os terminais
modificarem dinamicamente suas configurações de comunicação.
E ainda com o propósito de conseguir altas taxas, além de aumentar a largura de banda,
tanto o LTE quanto o LTE Advanced contam com a técnica de transmissão MIMO (Multiple
Input Multiple Output) [41], onde o sinal é transmitido e recebido por duas ou mais antenas
com fluxo de dados diferentes. E na recepção utilizando processamento digital de sinais, esses
fluxos de dados são separados multiplicando a vazão por 2, se utilizar o arranjo MIMO 2X2
[41], como previsto para o LTE Advanced. Para o LTE, onde MIMO é opcional, pode-se
utilizar até o arranjo MIMO 4X4, e para o LTE Advanced, que MIMO é obrigatório, pode-se
utilizar até o arranjo MIMO 8X8. Se os sinais forem combinados corretamente no receptor, a
robustez e/ou a vazão do sistema podem ser melhoradas. Como melhoria para a tecnologia
MIMO pode ser a inclusão da multiplexação espacial, pré-codificação e ainda diversidade de
transmissão [41]. Na multiplexação espacial os sinais são divididos, em função do número de
antenas, antes de serem transmitidos. Na recepção esses sinais são reagrupados em um único
sinal, aproveitando os de maior SNR (Signal to Noise Ratio) e considerando os demais como
ruído [51]. Com a pré-codificação, a SNR pode ser melhorada com a ponderação dos sinais
33

34. transmitidos pelas diferentes antenas [41]. Já com a diversidade de transmissão, dependendo
do envio do sinal codificado por várias antenas, é possível tornar em vantagam a propagação
por multiplos percursos entre transmissor e receptor por meio dos valores de tensão e fase
[51]. Essa técnica de transmissão MIMO é opcional no LTE, mas já no LTE Advanced é
obrigatória para contribuir no alcance de altas taxas de UL e DL. A Figura 9, reproduzida de
[41] com autorização dos autores, obtida utilizando banda de 5 MHz e modulação 16-QAM,
demonstra como a vazão de bits é influenciada pelo número de antenas do esquema MIMO
em função da relação sinal-ruído.
Figura 9. Vazão do sistema LTE em função do arranjo do sistema MIMO.
Outra característica do LTE Advanced para melhorar os quesitos de QoS (Quality Of
Service), é a possibilidade de utilizar Relay Node [44], que são nós de retransmissão. Uma
proposta mais audaciosa consiste em utilizar os próprios terminais dos usuários como Relay
Nodes em um esquema denominado de comunicação cooperativa. Neste caso, os usuários
mais próximos da ERB podem atuar como uma ponte de comunicação para os usuários que
estão nas bordas da célula.
A Figura 10 ilustra o Relay Node evidenciando o uso de torres repetidoras e a opção de
utilizar os próprios usuários como repetidores do sinal.
34

35. Figura 10. Relay Node utilizando torres e os próprios usuários como repetidores do sinal.
4. IEEE 802.16M
Conhecido por Wireless MAN-Advanced ou WiMAX 2 o padrão IEEE 802.16m foi
desenvolvido com o objetivo de atender aos requisitos para redes 4G mantendo a
compatibilidade com versões anteriores. Foi projetado para suportar as frequências em todas
as faixas de IMT (International Mobile Telecommunications) abaixo de 6 GHZ [52].
Desenvolvido para ser utilizado em ambientes com características de propagação que se
alteram ao longo do tempo, prevê interface aérea avançada que chega a taxa de 100 Mbps
com mobilidade e 1 Gbps no caso fixo. Utiliza modulação adaptativa e técnica de acesso
OFDMA para uplink e downlink [53], a Tabela 4 [52] apresenta características definidas para
o padrão IEEE 802.16m.
Tabela 4. Características do padrão IEEE 802.16m.
Padrão
WiMAX
WiMAX 2
Duplexação
TDD
TDD - FDD
Múltiplo acesso
TDM / TDMA
OFDMA
5; 7; 8,75; 10 e 20 (Até 100 MHz
Banda de operação (MHz)
5; 7; 8,75; e 10
utilizando agregação de canais)
Tem uma única antena de
MIMO cooperativo para até 4
UL MU-MIMO
colaboração
antenas de Transmissão
DL MU-MIMO
Não suporta
Até 4 usuários emparelhado.
Cobertura
10 km
3 km; 5-30 km e 30-100 km
O padrão 802.16m emprega conceitos de rádio cognitivo [54] utilizando o espectro de
forma oportunista através da agregação de canais, otimizando a utilização do espectro com o
aumento ou diminuição da banda ofertada em função da necessidade de cada usuário. Dessa
forma pode chegar a uma largura de banda de 100 MHz agregando canais de 20 MHz [53].
Este padrão utiliza comunicação adaptativa, o que permite que se estabeleça uma conexão
35

36. robusta com o usuário. Com esta técnica, o esquema de código corretor de erro e modulação
são selecionados de acordo com as condições do canal de comunicação [55].
Através do sensoriamento espectral o rádio cognitivo deve ser capaz de determinar
porções não utilizadas do espectro, compartilhar o acesso com outros usuários, selecionando o
melhor canal disponível tendo como base características como a resposta em frequência do
canal, taxa de erro, vazão e QoS. No padrão 802.16m torna-se possível determinar quais
subportadoras e respectivas ordens de modulação deverão ser alocadas a cada usuário em
função destas características, com o emprego do algoritmo de alocação adaptativa na técnica
de acesso OFDMA. A Figura 11, reproduzida com autorização dos autores, ilustra a alocação
de subportadoras [44].
Figura 11. Alocação de subportadoras de um algoritmo de maximização da vazão de dados.
Ao se deparar com uma situação onde se encontre impossibilitado de se comunicar com
a rádio base, o rádio cognitivo ciente do ambiente que está inserido deve ser capaz de se
autoconfigurar para estabelecer comunicação através dos recursos disponíveis. Desta forma,
pode utilizar o rádio vizinho como um nó da rede e estabelecer comunicação com a rádio base
por meio de múltiplos saltos [56]. De forma semelhante o padrão 802.16m pode operar no
modo Mesh, formando dinamicamente uma malha entre seus clientes e, através de múltiplos
saltos entre nós intermediários, os pacotes dos clientes atingem o destino remoto [57],
conforme ilustra a Figura 12.
36

37. Internet
Malha
Figura 12. 802.16m modo Mesh
5. CONCLUSÃO
Em face aos padrões apresentados no capítulo 3, conclui-se que ainda existem questões
a serem mais profundamente pesquisadas. Isso porque, para que esses padrões alcancem tanto
a vazão quanto os quesitos de QoS almejados, fica indispensável o uso de rádio cognitivo. E
por viabilizar o aumento da vazão para os usuários respeitando os quesitos de QoS, mesmo
em senários onde existe escassez de banda e outros fatores que inibem a transmissão em altas
taxas, fica justificado o uso de uma tecnologia tão complexa quanto o rádio cognitivo.
37

38. CAPÍTULO 4.
CONCLUSÕES
Os principais desafios encontrados pelos padrões apresentados neste trabalho, estão
relacionados com aumento da vazão obedecendo aos quesitos de QoS. Com o objetivo de
superar esse desafio, esses padrões utilizam a tecnologia rádio cognitivo. Neste trabalho
foram realizadas pesquisas sobre rádio cognitivo nos futuros padrões de comunicação sem fio.
Também foi mostrado como os padrões operavam antes e depois da inclusão do rádio
cognitivo, enfatizando as vantagens do uso dessa tecnologia tão complexa.
A melhor forma de aproveitar o espectro eletromagnético é usando a tecnologia de rádio
cognitivo, e o padrão IEEE 802.22 é uma boa solução para aproveitar o espectro usando os
canais de TV que não estão sendo utilizados, podendo formar células de até 100 km de raio,
para prover acesso à Internet em regiões afastadas dos grandes centros urbanos. O rádio
cognitivo que opera pelo padrão aloca dinamicamente canais de TV que não estão sendo
utilizados para usuários secundários, e o gerenciamento do canal adiciona uma proteção ao
usuário primário, para quando ele necessitar da utilização do canal.
De acordo com os estudos feitos sobre o padrão IEEE 802.11af, através da utilização
das técnicas de rádio cognitivo no sensoriamento do espectro, geolocalização, comunicação
com o banco de dados de TV WS e nas camadas MAC e PHY. Este padrão se torna bastante
promissor para dar inicio a esta nova mudança dentro da faixa de frequência de TV, devido a
grande demanda wireless nos grandes centros urbanos e também em relação ao seu baixo
custo em relação a outros padrões.
Com base nos estudos apresentados sobre o LTE Advanced neste trabalho, conclui-se
que, o rádio cognitivo além de contribuir para o aumento da vazão, também leva em conta os
quesitos de QoS, apesar de operar em faixas do espectro com ocupações instáveis. O que
demanda mais dedicação da parte de sensoriamento espectral.
Com a presença do rádio cognitivo no padrão 802.16m conclui-se que o espectro passa
a ser mais bem utilizado. Os algoritmos de alocação adaptativa agregam maior eficiência na
alocação das subportadoras, e poderão apresentar desempenho melhor assumindo
configurações dinâmicas conforme a determinação do rádio cognitivo através de seu processo
cognitivo.
38

39. REFERÊNCIAS
[1] J. Afonso Cosmo Júnior, “Métodos para a Avaliação da Eficiência de Utilização do
Espectro Radioelétrico”, Pontífica Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de
Janeiro, 2006.
[2] Eng. Ângelo Canavitsas, “Metodologia para avaliação dos níveis de interferências
permissíveis gerados por rádios cognitivos em sistemas primários de telecomunicações”,
apresentado em Seminário - Rádio Cognitivo - Brasília – ANATEL, Brasília - Distrito
Federal - Brasil., 31-set-2011.
[3] Silva, Marcel William Rocha da, “Redes Cognitivas com Oportunidades Dinâmicas de
Acesso ao Espectro”, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2011.
[4] Ângelo Canavitsas, “Conceitos sobre Rádio Cognitivo”, Rio de Janeiro - RJ, Reunião do
Grupo Ad-Hoc de Propagação, maio 2011.
[5] “Libertação
de
telecomunicações”.
[Online].
Available
at:
http://noticias.universia.es/translate/es-pt/vidauniversitaria/noticia/2005/12/13/604317/liberacion-telecomunicaciones.html. [Acessado:
13-mar-2013].
[6] M. J., “Software radios: Survey, critical evaluation and future directions.”, IEEE
Aerospace and Electronic Systems Magazine, vol. III, 1993.
[7] “Introdução
a
Cognição”.
[Online].
Available
http://www.slideshare.net/sergiolima/introduo-a-cognio. [Acessado: 13-mar-2013].
at:
[8] L. Roveda Faganello, “Q-Noise : um algoritmo de alocação dinâmica de canal para Rádio
Cognitivo”, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2012.
[9] “O
que
é
Wi-Fi
(IEEE
802.11)?”
[Online].
http://www.infowester.com/wifi.php. [Acessado: 13-abr-2013].
Available
at:
[10] “IEEE-SA - IEEE 802.22-2011 Standard for Wireless Regional Area Networks in TV
Whitespaces
Completed”.
[Online].
Available
at:
http://standards.ieee.org/news/2011/802.22.html. [Acessado: 16-mar-2013].
[11] Luciana dos Santos Lima, Luiz Fernando Gomes Soares, Markus Endler, “WiMAX:
Padrão IEEE 802.16 para Banda Larga Sem Fio”, Pontifícia Universidade Católica do Rio
de Janeiro (PUC-Rio), Rio de Janeiro, 2004.
[12] Andson Marreiros Balieiro, “Handoff de espectro em redes baseadas em rádio
cognitivo utilizando redes neurais artificias.”, Universidade Federal do Pará Intituto de
Tecnologia, BELÉM, 2011.
[13] “IEEE 802.11af White-Fi :: Radio-Electronics.Com”. [Online]. Available at:
http://www.radio-electronics.com/info/wireless/wi-fi/ieee-802-11af-white-fi-tv-space.php.
[Acessado: 13-mar-2013].
39

40. [14] “O que é 4GO que é 4G » Aprenda sobre essa nova tecnologia”, jan-2013. [Online].
Available at: http://oquee4g.com.br/. [Acessado: 13-abr-2013].
[15] “UMTS, HSPA e LTE - LTE-Advanced”. [Online]. Available
http://www.gta.ufrj.br/grad/09_1/versao-final/umts/lte_advanced.html. [Acessado:
mar-2013].
at:
09-
[16] “IEEE-SA - IEEE Approves IEEE 802.16m - Advanced Mobile Broadband Wireless
Standard”. [Online]. Available at: http://standards.ieee.org/news/2011/80216m.html.
[Acessado: 13-mar-2013].
[17] “What We Do | FCC.gov”. [Online]. Available at: http://www.fcc.gov/what-we-do.
[Acessado: 15-abr-2013].
[18] Alexandre Keney, “Rádio Cognitivo (parte 2)”, Polo de Excelência de Eletrônica e
Telecomunicações, 14-jan-2013.
[19] Assessoria de Comunicação da Abert, “Rádio cognitivo pode otimizar uso do espectro,
mas não deve permitir interferências”, abert.org, 06-set-2011.
[20] Marcel William Rocha da Silva e José Ferreira de Rezende, “Redes de Rádios
Cognitivos com Disponibilidade Dinâmica de Oportunidades”, apresentado em XXIX
Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuido., Campo Grande e
Mato Grosso do Sul., 2011.
[21] J. Scudeler Neto, “Contribuições ao estudo sobre sensoriamento espetral baseado em
auto valor para sistemas de rádio cognitivo.”, 2011.
[22] International Conference on Wireless Internet e ACM Digital Library, Proceedings of
the 2nd Annual International Workshop on Wireless Internet 2006, Boston,
Massachusetts, August 02-05, 2006. New York, N.Y.: ACM Press, 2005.
[23] Yonghong Zeng, Ying-Chang Liang, and Rui Zhang, “Blindly Combined Energy
Detection for Spectrum Sensing in Cognitive Radio”, IEEE Signal Processing Letters,
vol. 15, 2008.
[24] Marcelino Mundstein Vogel, “Estudo e Aplicações do Padrão IEEE 802.22 – II”, 27fev-2012. [Online]. Available at: http://www.teleco.com.br/pdfs/tutorialieee2.pdf.
[Acessado: 12-abr-2013].
[25] Peterson Marcelo Santos Yoshika, “Uma Abordagem para Otimização do Período de
Sensoriammento em Rádio Cognitivo com Algorítimo Genético Multiobjetivo”,
Universidade Federal do Pará Intituto de Tecnologia, Belém, 2011.
[26] Taís Américo Almeida, “Análize de Desempenho do Espectral de Espetro de Rede de
Rádios Cognitivos”, UNILASALLE - Centro Universitário LA SALLE, Canoas, 2010.
[27] Fernando N. N. Farias, José M. Dias Júnior, João J. Salvatti, Sérgio Silva,, “Pesquisa
Experimental para a Internet do Futuro: Uma Proposta Utilizando Virtualização e o
Frame-work Openflow”, in XXIX Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e
Sistemas Distribuídos, 2011, p. 62.
40

41. [28] Cleiber Marques da Silva, “Uma Arquitetura Recon_gur_avel Heterogênea para
R_adios De_nidos por Software utilizando uma Rede-em-Chip”, Florianópolis, 2012.
[29] Enos A. V. F. de Lima; João M. T. Romano, “Perspectivas de Processamento Digital
de Sinais em Rádios Cognitivos”, XVII Congresso Interno de Iniciação Científica da
Unicamp, p. 1, set. 2009.
[30] Tiago Rogério Muck, “Projeto de Sistemas Embarcados”, UFSC - Universidade
Federal de Santa Catarina, Santa Catarina, 2009.
[31] Nilson Maciel de Paiva Junior, Elaine Crespo Marques, Fabrício Alves Barbosa da
Silva, Robson França de Moraes, David Fernandes Cruz Moura, e _, “Introdução ao
Desenvolvimento de Rádios Definidos por Software para Aplicações de Defesa”, XXX
Simpósio Brasileiro de Telecomunicações, p. 1–5, set. 2012.
[32] “OSSIE: Open-Source SCA Implementation - Embedded | SCA-Based Open Source
Software Defined Radio”. [Online]. Available at: http://ossie.wireless.vt.edu/?q=node/3.
[Acessado: 13-abr-2013].
[33] Joeldo Pantoja Oliveira,Jeferson BrenoNegrãoLeite, Aldebaro Barreto da Rocha
Klautau Jr, “Uso de Software Livre no Ensino de Telecomunicações”, XL Congresso
Brasileiro de Educação em Engenharia, p. 1–11, set. 2012.
[34] André F. B. Selva, André L. G. Reis, Karlo G. Lenzi e e Luis G. P. Meloni, “Uma
Introdução a SDR com GNU Radio”, Departamento de Comunicações Faculdade de
Engenharia Elétrica e de Computação Universidade Estadual de Campinas (Unicamp),
p. 1–3, 2011.
[35] Pedro Smith Coutinho, “Detecção de Energia para Rádios Cognitivos usando GNU e
USRP2”, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Poli/COPPE, 2011.
[36] “GNU Radio - UsrpFAQIntro - gnuradio.org USRP”. [Online]. Available at:
http://gnuradio.org/redmine/projects/gnuradio/wiki/UsrpFAQIntro. [Acessado: 13-abr2013].
[37] Sumit Satarkar, “Performance analysis of the WiNCR2 patforma”, New Brunswick
Rutgers, New Jersey, 2009.
[38] André Duarte de Souza e Diego Delgado Lages, “CORBA: Reutilização de
Componentes de Software”, Universidade Federal do Rio de Janeiro Departamento de
Ciência da Computação, 2001.
[39] “Common Object Request Broker Architecture - Wikipedia, the free encyclopedia”.
[Online].
Available
at:
http://en.wikipedia.org/wiki/Common_Object_Request_Broker_Architecture. [Acessado:
13-abr-2013].
[40] “Seção:
Tutoriais
DDP:
O
que
é?”
[Online].
Available
at:
http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialieee1/pagina_1.asp. [Acessado: 10-jun-2013].
41

42. [41] João Filipe Eloi Aleluia Carrasco Gonçalves, “Análise de Desempenho dos Sistemas L
TE e LTE-Advanced com base em Simuladores”, Dissertação para obtenção do Grau de
Mestre, Intituto Superior Técnico, 2011.
[42] Mauro Lima, “Platcog - Aspectos Regulatórios e Padronização”, apresentado em
reuniao2 do grupa Adhoc, 2011.
[43] Grupo del Espectro, “Introducción al estado de la situación de los ‘TV White Spaces’
y ‘LSA’ propiciados por la Radio Cognitiva”, Colégiom Oficial de Engenheiros, Madrid,
2013.
[44] Anderson Daniel Soares, “Novas Propostas de Algoritmos de Aloca_ção Adaptativa
de Subportadoras e Bits para Sistemas OFDMA.”, Dissertação para obtenção do Grau de
Mestre, Inatel- Instituto Nacional de Telecomunicações, Santa Rita do Sapucaí, 2012.
[45] Demian Lekomtcev, Roman Maršálek, “Comparison of 802.11af and 802.22 standards
– physical layer and cognitive functionality”, Fakulta elektrotechniky a komunikačních
technologií VUT v Brně, vol. 3, p. 1–7, jun. 2012.
[46] “IEEE 802.11af | White-Fi / Wi-Fi | Tutorial”. [Online]. Available at:
http://www.radio-electronics.com/info/wireless/wi-fi/ieee-802-11af-white-fi-tv-space.php.
[Acessado: 14-maio-2013].
[47] Jung-Sun Um, Sung-Hyun Hwang, and Byung Jang Jeong, “A Comparison of PHY
Layer on the Ecma-392 and IEEE 802.11af Standards”, CROWNCOM 2012, p. 5, jun.
2012.
[48] Tiago Tanji, “Brasil terá 900 mil conexões LTE até o final de 2013 - EXAME.com”,
exame.abril.com.br,
14-jun-2013.
[Online].
Available
at:
http://exame.abril.com.br/tecnologia/noticias/brasil-tera-900-mil-conexoes-lte-ate-o-finalde-2013. [Acessado: 06-jul-2013].
[49] Takehiro Nakamura, “Proposal for Candidate Radio Interface Technologies for IMTAdvanced Based on LTE Release 10 and Beyond (LTE-Advanced)”, apresentado em
3GPP IMT-Advanced Evaluation Workshop, Beijing, China,, 17-dez-2009.
[50] João Pedro Gonçalves Rodrigues de Melo, Lucas Silvestre Chaves, Marco Aurélio de
Souza Ferrero, Ricardo Antonio Dias, e Ricardo Augusto da Silva Júnior, “Princípios e
Aplicações do Padrão IEEE 802.22”, Inatel- Instituto Nacional de Telecomunicações,
Santa Rita do Sapucaí, 2010.
[51] João Luiz Reis Ferreira, “MIMO- Multiple Input Multiple Output”, Universidade
Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, trabalho escolar da disciplina Redes de
Computadores II, fev. 2008.
[52] Sassan Ahmad, Mobile WiMAX a systems approach to understanding the IEEE
802.16m radio access network. London: Academic, 2010.
[53] “IEEE aprova padrão 802.16m para próxima geração da WiMAX”. [Online].
Available at: http://www.tecmundo.com.br/9417-ieee-aprova-padrao-802-16m-paraproxima-geracao-da-wimax.htm. [Acessado: 14-maio-2013].
42

43. [54] Sherman, M., “IEEE Standards Supporting Cognitive Radio and Networks, Dynamic
Spectrum Access, and Coexistence”, Communications Magazine, IEEE, vol. 46, p. 72–79,
jul. 2008.
[55] Fabrício Lira Figueiredo, “Fundamentos da tecnologia WiMAX”, Centro de Pesquisa
e Desenvolvimento em Telecomunicações – CPqD, CPqD.
[56] Ricardo Carvalho Pereira, “Propostas de modelos de rádio cognitivo para aumentar a
capacidade de sistemas sem fio.”, Tese de Doutorado, Universidade Tecnológica Federal
do Paraná, Curitiba, 2010.
[57] Group Coordination Meeting, “Overview of IEEE P802.16m Tecnology end
Candidate Rit for IMT-Advanced”, La Jolla, CA, USA, 13-jan-2010.
43