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Nicole Marie Ramos y Jhonabel Hernández
Estudiantes Escuela de Ingeniería en Computación y Telemática, Campus Santiago
PUCMM
La evolución de la Radio tradicional
La radio cognitiva y los dispositivos de radio definidos por software (SDR) son tecnologías emergentes que abordan la escasez del espectro en comunicaciones inalámbricas. Permiten un acceso dinámico al espectro al detectar y aprovechar las frecuencias subutilizadas. Por esa razón, y tomando en cuenta el crecimiento exponencial de la población humana, aprovechar estas nuevas tendencias tecnológicas para hacer un uso eficiente del espectro radioeléctrico es un punto clave para continuar el desarrollo de las tecnologías de la telecomunicación.
Se debe destacar que el espectro radioeléctrico es un recurso limitado, por lo que el estudio de nuevas técnicas que hagan un uso inteligente del mismo garantiza el continuar contando con este recurso. Este proyecto explora el uso de la radio cognitiva para optimizar la utilización del espectro disponible en aplicaciones de alta velocidad y baja latencia, así como el uso de los dispositivos SDR para el acceso dinámico al espectro.
En esta entrada de este blog de innovación se presentará la implementación de una arquitectura de software definida por radio para la implementación de estrategias de radio cognitiva. El sistema desarrollado muestra la importancia de la implementación de técnicas de radio cognitiva para garantizar el buen aprovechamiento del espectro radioeléctrico.
La importancia de la Radio Cognitiva
En el trabajo titulado “Evaluación de ocupación del espectro radioeléctrico y análisis de factibilidad de uso de radio cognitiva en la banda UHF (450 – 512 MHZ) Para su optimización en la ciudad de Riobamba” se tomaron dos puntos de referencia para la medición del espectro y, a partir de allí, por medio del análisis espectral se concluyó que el 93.24% de las bandas de frecuencia no estaban siendo ocupadas. Esto pone en perspectiva que la implementación de sistemas de radio cognitiva permitiría reconfigurar automáticamente los esquemas de transmisión y aprovechar estos espacios no utilizados.
Otro proyecto interesante es “Implementación de escenarios de simulación mediante técnicas de modulación y análisis espectral en sistemas WRAN en radios cognitivas”. Este establece que por medio de radio cognitiva se puede identificar el espectro en frecuencia que se encuentra disponible y proceder a realizar la transmisión de la información en los espacios no utilizados. Este trabajo presenta un análisis práctico basado en MATLAB y se crea un escenario de simulación para validar la propuesta planteada.
De igual manera, el trabajo titulado “Herramienta para la medición de ocupación de canales para radio cognitiva en el rango de 470 MHz a 900MHz” encontramos algo similar a lo planteado anteriormente. Los autores presentan un prototipo de herramienta de bajo costo para medir y determinar la ocupación de canal y niveles de señal en el espectro radioeléctrico en el rango de 470 MHz a 900 MHz. Este sistema de bajo costo aprovechando los sistemas SDR es una alternativa a los equipos profesionales y de laboratorio que tienden a tener una mayor precisión pero a un custo mucho más elevado. Por lo que estas soluciones de bajo costo ayudan a promover la implementación de sistemas de radio cognitiva.
Descripción del Sistema Propuesto
Este trabajo propone la creación de una herramienta robusta y de bajo costo utilizando radio cognitiva como concepto principal, sus técnicas de detección y de acceso dinámico se enfocarán en las banda del espectro de frecuencia de UHF/VHF para la toma de decisión con un sistema cognitivo basado en el entrenamiento de un modelo de aprendizaje de máquina. Siendo el propósito de este modelo el detectar espacios de baja utilización dentro del espectro para hacer uso de los mismos en un proceso de transmisión. Esto permite aplicar el uso de radio cognitiva mejorando el acceso dinámico a usuarios secundarios por medio de un algoritmo que detecta energía y el entrenamiento de un modelo de aprendizaje.
La estructura del sistema de radio cognitiva consiste en un conjunto de algoritmos que funcionan a través de software, conocidos como motor cognitivo, y que pueden ser utilizados en plataformas de radio con implementación de hardware. Este motor cognitivo se encarga de gestionar los recursos y adaptar el mecanismo para optimizar sus funcionalidades. En resumen, una arquitectura ideal de radio cognitiva incluiría una serie de componentes funcionales:
- Interfaz de usuario
- Detección de entorno
- Aplicación en el sistema
- Radio definido por software
- Funciones cognitivas
Por lo que se debe ejecutar un esquema que permita cumplir con cada uno de estas funcionalidades. Es importante destacar que la flexibilidad de la radio definida por software permite integrar en un solo equipo físico mucha de estas funcionalidades. Adicionalmente, la capacidad de reconfiguración de los sistemas SDR ofrece alternativas interesantes para la adaptabilidad requerida por los sistemas de radio cognitivo. En la siguiente figura se muestra el esquema de implementación realizado para el sistema propuesto.
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La transmisión y recepción de señales fue realizada mediante el uso de un dispositivo SDR, en específico BladeRF x40. Para el procesamiento de las señales se implementaron las rutinas a ser ejecutadas en el sistema SDR en el ambiente de GNU Radio. En la siguiente imagen podemos ver el sistema SDR BladeRF x40.
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En más del 69% de las ocasiones en que el aprendiz solicitó una sugerencia, acciones captadas y analizadas al momento de validar las habilidades del coach, estas recomendaciones contribuyeron a que el aprendiz o su equipo resulten ganadores de la ronda. Esto implica que en menos del 30% de los casos, las sugerencias del coach no resultaron beneficiosas para el aprendiz o su equipo, ya sea por perder la ronda o porque la ficha sugerida no era la más óptima en ese momento.
Resultados y Limitaciones
La implementación realizada en GNU Radio permitió crear un detector de energía y agregar cotas de robustez mediante el análisis estadístico de la densidad de potencia en cada canal, determinando si el mismo se encontraba ocupado o no. Debajo se muestra el resultado en GNU Radio al momento de detectar un canal ocupado.
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En este caso se determinó que el canal en 955MHz se encontraba ocupado, por lo que no es posible realizar una transmisión en el mismo. A partir de esto fue posible crear una modulación del tipo OFDM cuya frecuencia base fuera adaptable. En la siguientes imágenes se puede ver el proceso de transmisión y como el sistema selecciona la frecuencia centra en 915MHz que se encuentra desocupada.
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Conclusiones
El uso de SDR (Radio Definida por Software) brinda mayor flexibilidad y reconfigurabilidad al sistema, permitiendo una implementación más sencilla y una adaptación más rápida a diferentes condiciones y requisitos de comunicación. Esto permite adaptar la comunicación a diferentes entornos, condiciones de propagación y requisitos de servicio sin necesidad de cambiar el hardware físico.
Por último, el algoritmo de detección de canales juega un papel crucial en la detección y utilización de los canales en blanco del espectro, garantizando que el sistema pueda operar sin causar interferencias perjudiciales a los usuarios primarios. En general, este proyecto demuestra que la combinación de radio cognitiva, OFDM, SDR y algoritmos de detección de canales es una solución efectiva para mejorar la gestión y eficiencia del espectro inalámbrico, lo que puede conducir a un mejor rendimiento y una mayor capacidad de las redes inalámbricas en el futuro. Sin embargo, es importante seguir investigando y desarrollando esta tecnología para garantizar su viabilidad y éxito en aplicaciones prácticas y para el manejo de usuarios de manera masiva.
Referencias
Ponce Pinos, J. E. (enero de 2019). Evaluación de ocupación del espectro radioeléctrico y análisis de factibilidad de uso de radio cognitiva en la banda UHF (450 – 512 MHz) para su optimización en la ciudad de Riobamba.
Prócel Contreras, Julio Ricardo (febrero de 2020) Implementación de escenarios de simulación mediante técnicas de modulación y análisis espectral en sistemas WRAN en radios cognitivas.
Briceño Rodríguez, Diana Zoraida (agosto 2020) Herramienta para la medición de ocupación de canales para radio cognitiva en el rango de 470 MHz a 900MHz