Cadernos CPqD Tecnologia V7 Nº 1 by CPqD

Cadernos CPqD Tecnologia Vol. 7 • n. 1 • julho 2010/junho 2011

Cadernos CPqD Tecnologia Editores-Chefes Claudio A. Violato João Marcos Travassos Romano Editoria Executiva Diretoria de Gestão da Inovação Aldionso Marques Machado Antonio Carlos Gravato Bordeaux Rego Claudio de Almeida Loural Moacir Giansante

Comitê Editorial (Fórum de P&D do CPqD) João Marcos Travassos Romano (Universidade Estadual de Campinas – Unicamp) Cláudia Maria Bauzer Medeiros (Sociedade Brasileira de Computação – SBC) Hypolito José Kalinowski (Sociedade Brasileira de Microondas e Optoeletrônica – SBMO) Jamil Haddad (Universidade Federal de Itajubá – Unifei) Luciano Paschoal Gaspary (Sociedade Brasileira de Computação – SBC) Rege Romeu Scarabucci (Representante do Conselho Curador do CPqD) Valdemar Cardoso da Rocha Jr (Sociedade Brasileira de Telecomunicações – SBrT) Weiler Alves Finamore (Sociedade Brasileira de Telecomunicações – SBrT)

Preparação e Diagramação Elisabete da Fonseca Juliana Cristina Fernandes Pereira Marcela de Souza Scatolin Márcia Inêz de Oliveira Andrade Bozzi Maria Fernanda Simonetti Ribeiro de Castilhos Sergio Ricardo Mazzolani Thaís Ribeiro Bueno

Tiragem 1.000 exemplares

Correspondência e Pedidos de Assinatura Assessoria de Comunicação e Inteligência de Mercado – ACIM Rodovia Campinas-Mogi-Mirim, km 118,5 (acesso pela Rua Dr. Ricardo Benetton Martins) CEP 13086-902 – Campinas, SP – Brasil DDG: 0800.7022773 e-mail: contactcenter@cpqd.com.br

Diretoria do CPqD Presidente: Hélio Marcos M. Graciosa Vice-Presidente de Tecnologia: Claudio A. Violato Vice-Presidente Comercial: Luiz Del Fiorentino Vice-Presidente Financeiro: Cesar Cardoso

Cadernos CPqD Tecnologia. Fundação CPqD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações. Campinas, SP, v. 1, n. 1 (jan./dez. 2005 -) v.il.; 30 cm. v.7, n.1, jul.2010./jun. 2011 Semestral Resumos em português e inglês ISSN 1809-1946 1. Tecnologia. 2. Telecomunicações. I. Fundação CPqD CDD 621.38

A revista Cadernos CPqD Tecnologia é uma publicação da Fundação CPqD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações, dedicada à divulgação das pesquisas desenvolvidas pela instituição. A revista é distribuída gratuitamente.

ISSN 1809-1946

Cadernos CPqD Tecnologia Vol. 7, n. 1, jul. 2010/jun. 2011

Apresentação Claudio A. Violato.......................................................................................................................................3 Prefácio João Marcos Travassos Romano..............................................................................................................5 Tecnologias de camada física e MAC para redes LTE Fabbryccio A. C. M. Cardoso, Donato Manzan Júnior, Rafael Mendes Vilela, Fabrício Lira Figueiredo. .7 Rádios cognitivos: desafios e tendências Juliano João Bazzo, Fabbryccio A. C. M. Cardoso, Donato Manzan Júnior, Edson José Bonon, Ricardo Takaki, Douglas Gameiro Diniz..................................................................................................23 Integrando satélite com redes banda larga sem fio terrestres Marcos Guimarães Castello Branco, Juliano João Bazzo, Ralph Robert Heinrich.................................35 Redes de sensores ZigBee: visão geral da tecnologia e análise de consumo dos nós Fabrício Poloni dos Santos......................................................................................................................43 Sincronismo para sistemas adaptativos utilizando marca d'água Mário Uliani Neto, Leandro de Campos Teixeira Gomes, João Marcos Travassos Romano.................51 OpenFlow e redes definidas por software: um novo paradigma de controle e inovação em redes de pacotes Christian Esteve Rothenberg, Marcelo Ribeiro Nascimento, Marcos Rogério Salvador, Maurício Ferreira Magalhães..................................................................................................................................65 Propriedade intelectual do CPqD.............................................................................................................77

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n. 1, p. 1-100, jul. 2010/jun. 2011

Apresentação A revista Cadernos CPqD Tecnologia chega ao sétimo volume com uma notável evolução no seu nível de maturidade, o que se reflete na maior qualidade dos artigos publicados e na diversidade de temas tecnológicos abordados, dando uma ideia da abrangência do programa de pesquisa e desenvolvimento do CPqD. Além de divulgar resultados alcançados nos projetos para a comunidade de profissionais das diversas áreas das tecnologias da informação e comunicação (TICs), são apresentados também os pedidos de patente depositados no INPI no período correspondente ao de sua edição. Resultado do espírito inovador de seus pesquisadores, nos dois últimos semestres foram depositados 22 pedidos de patente, o que destaca a instituição entre as organizações que promovem a inovação no País. O Fórum de P&D do CPqD, que constitui o Comitê Editorial dos Cadernos, teve sua composição alterada, com o encerramento dos mandatos dos professores Hugo Luis Fragnito (Unicamp), José Augusto Suruagy Monteiro (SBC) e Rui Seara (SBrT). Quero registrar nossos agradecimentos pela cordial convivência e por suas valiosas contribuições, tanto para o programa de pesquisa e desenvolvimento do CPqD como para os Cadernos. Quero também dar as boas-vindas aos professores Jamil Haddad (Unifei), Luciano Paschoal Gaspary (SBC) e Valdemar Cardoso da Rocha (SBrT), que passam a integrar o Fórum de P&D e o Comitê Editorial, em substituição aos membros, cujos mandatos se encerraram.

Boa leitura!

Claudio A. Violato Vice-Presidente de Tecnologia

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v.7, n.1, p. 3, jul. 2010/jun. 2011

Prefácio Apresentam-se, neste número da revista Cadernos CPqD Tecnologia, seis novos artigos, envolvendo trabalhos recentes nas mais diversas áreas de atuação em pesquisa e desenvolvimento do CPqD. O primeiro artigo, de Cardoso e colaboradores, aborda o tema das redes banda larga de quarta geração, provendo uma síntese do estado da arte das tecnologias de camadas MAC e PHY que integram as soluções 4G, organizando e apresentando-as de forma didática, com foco no que se considera essencial para o entendimento da tecnologia de rádio LTE. O segundo artigo, de Bazzo e colaboradores, trata do tema de rádios cognitivos, debatendo as iniciativas de pesquisa e desenvolvimento em âmbito global, focando tanto os desafios e tendências tecnológicas como os esforços de regulamentação; descrevem-se ainda neste artigo algumas estratégias de sensoriamento de espectro de radiofrequência. No terceiro artigo, Castello Branco e colaboradores abordam a comunicação via satélite, focando os desafios a serem enfrentados para reduzir os custos do provimento de acesso via satélite às regiões remotas, e abordando igualmente questões regulatórias e propostas de pesquisa relacionadas ao tema. No quarto artigo, dos Santos apresenta uma revisão sobre o padrão ZigBee e faz comparações entre os protocolos de roteamento sob demanda e hierárquico para redes de sensores, verificando o desempenho desses protocolos em relação ao consumo de energia, aspecto essencial para o bom desempenho de uma rede de sensores. No quinto artigo, Uliani Neto e colaboradores propõem formas de incrementar a eficiência do processo de detecção de uma marca d’água digital utilizada na recuperação da informação. Apresentam ainda resultados de simulações computacionais que confirmam o desempenho dos métodos propostos. No sexto artigo, Rothenberg e colaboradores introduzem os princípios da tecnologia OpenFlow, apresentada como exemplo de inovação para permitir maior abertura e flexibilidade nos equipamentos de rede de pacotes. O conceito de redes programadas por software é apresentado como um novo paradigma. A qualidade e a diversidade dos trabalhos apresentados nos Cadernos CPqD Tecnologia são consequência direta da participação cada vez mais intensa de autores da comunidade CPqD, assim como da cooperação dos membros do nosso Fórum de P&D no processo de revisão. A presente edição compreende o período de julho de 2010 a junho de 2011. Cabe então um especial agradecimento, pelo importante trabalho e pela prazerosa convivência, aos colegas cuja participação no Fórum encerrou-se no período: professores Hugo Luis Fragnito, da Unicamp, José Augusto Suruagy Monteiro, da UNIFACS, e Rui Seara, da UFSC. Por outro lado, acolhemos com alegria os novos integrantes: professores Jamil Haddad, da Unifei, Luciano Paschoal Gaspary, da UFRGS, e Valdemar Cardoso da Rocha Jr., da UFPE. Agradecemos ainda ao Dr. César Augusto Medina Sotomayor, do CETUC (PUC-Rio), pela disponibilidade em colaborar conosco com a cuidadosa revisão do artigo Rádios cognitivos: desafios e tendências.

João Marcos Travassos Romano Presidente do Fórum de P&D do CPqD

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v.7, n.1, p. 5, jul. 2010/jun. 2011

Tecnologias de camada física e MAC para redes LTE Fabbryccio A. C. M. Cardoso*, Donato Manzan Júnior, Rafael Mendes Vilela, Fabrício Lira Figueiredo O 3GPP Long Term Evolution (LTE) é um dos passos mais importantes das tecnologias móveis celulares na direção das redes banda larga de quarta geração (4G), devido, principalmente, à sua solução de interface aérea. Há muita informação redundante na literatura, o que pode tornar a busca bastante difícil e improdutiva. A proposta deste artigo é prover uma síntese do estado da arte das tecnologias de camada MAC e PHY que integram essa solução, ao organizá-las e apresentá-las de forma compacta, com foco no que se considera essencial para o entendimento do LTE. Palavras-chave: LTE. OFDMA. SC-FDMA. MIMO. Scheduling. Introdução Mesmo sem alcançar todos os requisitos da ITU (International Telecommunication Union) para ser considerado uma rede celular de quarta geração, o LTE (Long Term Evolution) (3GPP, 2010b) é popularmente chamado de tecnologia 4G (MCQUEEN, 2009). Outros tentam ser mais precisos e o classificam como tecnologia 3.9G. O mais importante, porém, é entender que LTE é uma tecnologia móvel celular IP cuidadosamente projetada para apresentar latência bem menor e eficiência espectral bem maior do que as tecnologias precedentes de terceira geração. No LTE, a tecnologia de acesso sem fio está alicerçada na técnica de multiplexação por divisão em frequências ortogonais (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM) (ZOU; WU, 1995), o que possibilita o alcance de melhorias significativas na alocação de recursos de rádio e na adaptação dos enlaces. Além disso, a partir de uma arquitetura de rede mais simples e de menor custo, o LTE deverá prover não apenas uma conexão mais rápida, mas também uma variedade de novas aplicações antes disponíveis apenas através de acessos banda larga com fio à Internet. Um exemplo de tais aplicações é a navegação em sites com conteúdos de vídeo embutidos em páginas Web e Web 2.0. Mais do que uma tendência, o acesso a essas aplicações de vídeo vem gerando um tráfego de dados cada vez maior em redes de acesso banda larga com fio, e é inevitável que o mesmo ocorra nas redes celulares móveis (MCQUEEN, 2009). Antevendo essa demanda crescente por taxa de dados, Internet móvel e serviços interativos, como, por exemplo, VoIP e jogos on-line, o LTE foi incluído no roadmap do 3GPP (3rd Generation Partnership Project) para garantir a competitividade das operadoras 3G e possibilitar um caminho de atualização de suas redes.

A Tabela 1 apresenta as características principais do LTE (3GPP, 2010a). As metas originais de taxa de bits para o sistema foram estabelecidas em 100 Mbit/s no downlink e 50 Mbit/s no uplink, que podem ser alcançadas pelo sistema quando se opera com uma única antena (Single Input Single Output – SISO) e com largura de banda de 20 MHz. Para larguras de banda mais estreitas, as taxas de bits correspondentes podem ser calculadas a partir do escalonamento apropriado da taxa de bits em 20 MHz. Portanto, independentemente da largura de banda, a eficiência espectral em SISO é de 5 bit/s/Hz no downlink e de 2,5 bit/s/Hz no uplink. Quando se opera com multiplexação espacial em múltiplas antenas (Multiple Input Multiple Output – MIMO) no downlink, essa eficiência espectral é multiplicada por 1,5 ou por 3, dependendo do número de antenas 2x2 ou 4x4, respectivamente. Isso corresponde, em 20 MHz, a taxas de 150 e 300 Mbit/s. A especificação da latência na rede de acesso foi dividida nos planos de usuário e de controle para possibilitar sua otimização. No plano de usuário, a latência é definida pelo tempo que se leva para se transmitir um pacote IP do terminal de usuário até o nó de borda da rede de acesso por rádio (Radio Access Network – RAN) ou vice-versa. O requisito de latência nesse plano estabelece que o tempo de ida do pacote não deve exceder 5 ms em uma rede não carregada; o tempo de ida e volta do pacote não deve exceder 10 ms. No plano de controle, o requisito de latência é definido pelo tempo de transição do terminal de usuário entre o estado inativo (idle) e o estado ativo, quando o terminal pode enviar e receber dados. Essa latência na transição de estados do terminal não deve exceder 100 ms para o LTE. A especificação do sistema foi feita de forma a se obter o máximo desempenho para velocidades de usuário de até 15 km/h. Uma pequena degradação de desempenho é

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: fcardoso@cpqd.com.br. Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n.1, p. 7-22, jul. 2010/jun. 2011

Tecnologias de Camada Física e MAC para Redes LTE

Tabela 1 Características gerais do LTE1 Parâmetro

Detalhe

Taxa de bit de 100 (SISO), 150 (2x2 MIMO), pico DL 64-QAM 300 (4x4 MIMO) (Mbit/s) Taxa de bit de pico UL (Mbit/s) Tipo de dados

25 (QPSK), 50 (16-QAM), 75 (64-QAM) Somente comutação por pacotes

Largura de banda 1,4; 3; 5; 10; 15; e 20 (MHz) Duplexação

FDD e TDD

Mobilidade

0-15 km/h (otimizado) 15-120 km/h (alto desempenho)

Latência

Ocioso para ativo <~ 100 ms ~ 10 ms para pacotes de dados

Eficiência espectral

DL 3 – 4 x Rel 6 HSDPA UL 2 – 3 x Rel 6 HSUPA

Múltiplo acesso Tipos de modulação

OFDMA (DL) SC-FDMA (UL) QPSK, 16-QAM, 64-QAM (UL e DL)

permitida para velocidades superiores. Porém, para velocidades de até 120 km/h o sistema deve prover alto desempenho, sem perda de conexão ao longo da rede. Considerando-se o lado da operadora, além de possuir uma arquitetura de rede simplificada e de baixo custo, um dos méritos do LTE é a flexibilidade no uso de largura de banda e de faixa de operação. Uma rede pode ser implantada para operar com larguras de banda desde 1,4 até 20 MHz. Isso possibilita o aumento de sua capacidade à medida que se aumenta a demanda por serviços de dados. O LTE também foi especificado para atuar em uma grande variedade de faixas de frequência, incluindo a nova faixa de 2,6 GHz, em que há disponibilidade de banda, para se obter o máximo desempenho do sistema nos 2x20 MHz necessários. O sistema também pode ser implantado em faixas do GSM em 900 e 1.800 MHz, desde que haja uma reorganização dessas faixas, assim como nas faixas de TV de 700 MHz, que serão liberadas no mercado americano. 1

Processamento em banda base

Neste

artigo

são

descritas

principais

tecnologias empregadas nas camadas física (PHY) e de controle (L2/L3) da interface aérea do LTE. A camada física utiliza tecnologias, como, por exemplo, OFDMA (ZOU; WU, 1995; CIOCHINA, SARI, 2010), SC-FDMA (MYUNG; LIM; GOODMAN, 2006), MIMO (PAULRAJ et al., 2004) e codificação turbo (WOODARD; HANZO, 2000). As camadas L2/L3, por sua vez, empregam tecnologias, como, por exemplo, enlace adaptativo, scheduling e HARQ2 (PEDERSEN et al., 2009; STERNAD, 2007). A Figura 1 ilustra o sistema de malha fechada para o enlace de descida. O esquema para o enlace de subida é semelhante ao apresentado, porém, não há múltiplas antenas de transmissão e a informação de canal é estimada diretamente pela eNodeB, sem a necessidade de realimentação. O processo de codificação e de transmissão é disponibilizado pela camada física para a camada MAC na forma de serviços, através de blocos de transporte. A cada intervalo de transmissão (Transmission Time Interval – TTI, sendo 1 TTI = 1 subframe = 1 ms), até dois blocos de transporte são codificados, modulados e mapeados para os recursos de rádio do OFDMA. O processo de detecção de erro e retransmissão de blocos de transporte é inerente a esse processo e controlado pela MAC a partir de algoritmos de HARQ. Durante o processo de retransmissão do HARQ, é necessário que a MAC informe ao rate matching qual versão da redundância deverá ser empregada: RV0, RV1, RV2 ou RV3. A camada L2/L3 é responsável pelo acesso e pelo controle dos recursos de rádio. Com base em informações de status do canal (RI, PMI e CQI), é possível configurar o nível de modulação, a taxa de codificação e o esquema de codificação MIMO. Algoritmos de scheduling e de controle do enlace adaptativo operam em conjunto nessa camada para otimizar a vazão total da célula e do enlace de usuário. Nesse processo de operação são consideradas as condições do canal e os parâmetros predefinidos de priorização e de QoS. Os parâmetros de status do canal, essenciais para os algoritmos de enlace adaptativo e scheduling, não são descritos explicitamente pela relação sinal por interferência mais ruído (Signal to Interference plus Noise Ratio – SINR), que é estimada pelos sinais de referência do OFDMA. Essa informação tem de ser previamente processada no UE (terminal de usuário). O que é de fato informado pelo UE é um conjunto de índices que apontam para o melhor conjunto e

_____________________________________________________________ 1

Siglas da Tabela 1: DL (downlink), UL (uplink), QAM (Quadrature Amplitude Modulation), QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying), FDD (Frequency Division Duplex), TDD (Time Division Duplex), HSDPA (3GPP Release 6 – High Speed Downlink Packet Access), HSUPA (3GPP Release 6 – High Speed Uplink Packet Access) e SC-FDMA (Single Carrier – Frequency Division Multiple Access). Mais detalhes sobre o HARQ serão apresentados na Seção 3.3.

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n.1, p. 7-22, jul. 2010/jun. 2011

Tecnologias de camada física e MAC para redes LTE

eNodeB

Camadas L2/L3: Enlace Adaptativo e Scheduling

Versão da Redundância (RV)

MAC: HARQ

Bloco de Transporte

L2/L3

CRC

PHY

Cod. Turbo

RM + HARQ

Modulação

Taxa cod.

Mapeamento para Antenas

………

Até quatro antenas

Mapeamento Blocos de Recursos

………

OFDMA

Status do canal: RI, PMI e CQI

ACK / NACK

Mapeamento Blocos de Recursos

OFDMA

………

Demapeamento Blocos de Recursos

Demap das Antenas

MAC: HARQ

Demodulação

Decodificação

CRC

PHY

Bloco de Transporte

L2/L3

Indicador de Erro

Terminal de usuário (UE) Figura 1 Ilustração simplificada dos processamentos das camadas L1 (PHY), L2 e L3 para o enlace de descida

parâmetros do transmissor, tal que seja obtido o melhor desempenho do enlace em termos de taxa de bits e robustez. Os indicadores informados pelo UE são os seguintes: a) RI (Rank Indicator), que informa o modo de multiplexação espacial suportado pelo UE; b) PMI (Precoder Matrix Indicator), que informa o esquema de codificação espacial a ser utilizado para o modo MIMO de malha fechada (beamforming). Nesse caso, o esquema de pré-codificação é obtido a partir de uma tabela;

c) CQI (Channel Quality Indicator), que informa os parâmetros preferíveis de modulação e de taxa de codificação de canal que podem ser utilizados pelo transmissor como referência de melhor desempenho para o enlace. Nas Seções 2 e 3 são apresentadas as tecnologias utilizadas nas camadas física (PHY) e de controle (L2/L3) da interface aérea, respectivamente. 2

Camada física

A camada física do LTE é construída sobre o

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n.1, p. 7-22, jul. 2010/jun. 2011

Tecnologias de Camada Física e MAC para Redes LTE

OFDM e agrega técnicas avançadas de processamento que possibilitam que o sistema alcance alta eficiência espectral, alta capacidade e baixa latência. Exemplos de tais técnicas são: múltiplo acesso OFDMA/SC-FDMA (BERARDINELLI et al., 2008), codificação MIMO (BÖLCSKEI, 2006), codificação turbo (SKLAR, 1997), entre outras.

12 subportadoras = 180 kHz

freq

14 símbolos OFDM = 1 ms Usuário 1 Usuário 2 Usuário 3

2.1 Múltiplo acesso O OFDM é o núcleo da tecnologia de camada física do LTE e foi escolhido devido aos vários benefícios que oferece enquanto técnica de multiplexação. O uso de múltiplas portadoras, por exemplo, possibilita organizar e configurar os recursos de rádio a partir de um grid tempo-frequência, conforme Figura 2, provendo maior flexibilidade aos algoritmos de controle do enlace e de alocação de recursos. Por utilizar portadoras ortogonais, essa técnica permite que haja sobreposição entre portadoras vizinhas sem interferência mútua. Isso torna o uso do espectro de frequências por múltiplas portadoras bem mais eficiente. Outro benefício do OFDM é a possibilidade de gerar um sinal banda larga de alta taxa de dados a partir de múltiplos sinais banda estreita de baixa taxa. Como o efeito do canal de transmissão é plano em um sinal de banda estreita, tal efeito pode ser compensado em cada subportadora através de um ganho de amplitude e uma rotação de fase. Essa abordagem do OFDM provê grande robustez aos múltiplos percursos do canal de transmissão e reduz a complexidade da estimação e da equalização de canal. Finalmente, o OFDM tem a vantagem de poder ser implementado no domínio digital a partir do algoritmo FFT (Fast Fourier Transform), que é um algoritmo rápido, de baixa complexidade e largamente difundido. O termo OFDMA advém da possibilidade que oferece de se realizar múltiplo acesso a partir das portadoras no domínio da frequência. No LTE, o termo é empregado para indicar o múltiplo acesso de usuários a recursos não apenas na frequência, mas também ao longo do tempo (símbolos OFDM). Esse mecanismo do ODA é bastante flexível e permite configurar a taxa de codificação e o esquema de modulação por usuário, bem como por recurso de rádio. A Figura 3 ilustra o diagrama de blocos do OFDMA e do SC-FDMA para comunicações com uma única antena (SISO). O OFDMA é o esquema de modulação utilizado no enlace de descida, enquanto o SC-FDMA é o utilizado no enlace de subida. O SC-FDMA pode ser visto como uma versão pré-codificada do OFDMA, em que cada símbolo é inicialmente espalhado na frequência por meio de uma FFT antes de ser enviado para o modulador OFDM. Trata-se de uma solução híbrida que tenta conciliar os benefícios do OFDM com a boa relação entre a

tempo

Figura 2 Grid de recursos de rádio para múltiplo acesso

potência de pico e a potência média do sinal (Peak-to-Average Power Ratio – PAPR) dos sistemas de portadora única. Essa característica é importante para se flexibilizar os requisitos de faixa linear do amplificador de potência e de nível de quantização dos conversores AD e DA. Uma comparação de desempenho entre o OFDMA e o SC-FDMA, assim como uma revisão dessas técnicas, pode ser encontrada em Berardinelli e outros. (2008). Os componentes funcionais do OFDMA/SC-FDMA para o transmissor são apresentados na Figura 3 e consistem nos seguintes módulos: a) módulo de pré-codificação FFT, empregado apenas no SC-FDMA: utilizado para espalhar na frequência as informações dos símbolos modulados em portadora única; b) módulo de conversão serial para paralelo (Serial to Parallel – S/P): utilizado para demultiplexar um fluxo de dados de alta taxa em n fluxos de baixa taxa; c) módulo de mapeamento para subportadoras: realiza o mapeamento dos bits de dados para os recursos de rádio. Os fluxos de baixa taxa de dados, provenientes do conversor S/P, são mapeados para subportadoras e símbolos OFDM, de acordo com a regra de múltiplo acesso. Nesse ponto, também são adicionadas portadoras de referência que são utilizadas pelos algoritmos de estimação de canal, codificação MIMO e equalização; d) módulos IFFT (Inverse Fast Fourier Transform), P/S (Parallel to Serial) e PC (Prefixo Cíclico): responsáveis pela geração dos símbolos OFDM no tempo. Os sinais das múltiplas portadoras são convertidos para o domínio do tempo para transmissão. Por último, é adicionado um intervalo de guarda baseado na extensão cíclica do sinal no tempo (PC), com o objetivo de evitar interferência intersimbólica. Na recepção, ocorre a inversão das operações realizadas durante a transmissão. Além disso,

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n.1, p. 7-22, jul. 2010/jun. 2011

N Pontos FFT

Mapeamento para Subportadoras

M Pontos IFFT

P/S

S/P

Tecnologias de camada física e MAC para redes LTE

DAC/ RF

Canal

N Pontos IFFT

Extrai Subportadoras de dados / Equalização

M Pontos FFT

SC-FDMA

S/P

Detec

P/S

N<M

Remove PC

ADC/ RF

OFDMA

Figura 3 Diagrama de blocos do OFDMA e do SC-FDMA

módulos adicionais são necessários para compensar as degradações geradas pelo canal de transmissão, como, por exemplo, o módulo de equalização no domínio da frequência. Esses módulos são tipicamente assistidos por portadoras de referência que possibilitam estimar o canal de transmissão nas portadoras OFDMA ao longo do tempo. Como qualquer outro sistema baseado em OFDM, o OFDMA e o SC-FDMA também perdem desempenho quando há desvios de frequência nas subportadoras, gerados tipicamente por instabilidades do oscilador local ou por efeito Doppler (MORELLI, 2004). Esses efeitos destroem a ortogonalidade do OFDM, gerando interferências entre portadoras e interferências de múltiplo acesso. No enlace de subida, o problema é agravado porque essas interferências ocorrem diferentemente para cada usuário, dificultando a sincronização (VAN DE BEEK et al., 1999). Não há uma solução padronizada para esse problema, sendo que se trata de um campo em que as soluções de compensação das degradações do canal podem se diferenciar. Em Zhang e Ryu (2010), faz-se uma revisão das técnicas de supressão de interferências tipicamente utilizadas e propõe-se uma solução para lidar com os múltiplos desvios de frequência de usuários no uplink. 2.2 MIMO Ao se utilizar MIMO (PAULRAJ et al., 2004; BÖLCSKEI, 2006), ambas as cadeias de transmissão e de recepção do OFDM podem ser paralelizadas em mais de uma camada, conforme mostrado na Figura 4 (transmissão) e na Figura 5 (recepção), para o caso MIMO 2x2. Com essa paralelização, uma possibilidade é

aumentar a vazão de dados por meio da transmissão simultânea de diferentes fluxos. Outra possibilidade é codificar tais fluxos de forma a se obter uma transmissão mais robusta, porém, sem aumentar a vazão de dados. O OFDM é essencial nesse processo, porque para cada subportadora o canal é plano. Isso facilita a estimação dos canais de propagação MIMO e sua subsequente decodificação para os métodos de codificação por diversidade. Outro benefício da codificação MIMO, aplicado ao OFDM, é a possibilidade de se obter diferentes formas de codificação, como, por exemplo: espacial, que leva em conta apenas as antenas; espaço-temporal, que leva em conta as antenas e os diferentes símbolos OFDM; e espaçofrequência, que leva em conta as antenas e as diferentes portadoras. Em linhas gerais, as formas de processamento MIMO suportadas pelo LTE podem ser classificadas em: a) pré-codificação ou formatação de feixe (beamforming), que envolve apenas processamento espacial; b) codificação por diversidade, que envolve codificação espaço-frequência sobre um único fluxo de dados para se aumentar a robustez da transmissão; e c) multiplexação espacial, que envolve a transmissão simultânea de fluxos distintos em antenas distintas, de forma a se aumentar a vazão do sistema. Os métodos de pré-codificação e de diversidade propiciam um aumento na robustez da transmissão, enquanto os métodos de multiplexação espacial possibilitam o aumento, de fato, da eficiência espectral da transmissão.

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Mapeamento para Subportadoras

M Pontos IFFT

P/S

M Pontos IFFT

DAC/ RF

P/S

Mapeamento para Subportadoras

DAC/ RF

S/P

Codificação MIMO

S/P

Tecnologias de Camada Física e MAC para Redes LTE

Demap

M Pontos FFT

S/P

M Pontos FFT

Remove PC

ADC/ RF

S/P

Demap

Remove PC

ADC/ RF

Equalização

P/S

Detec

MIMO

Detec

P/S

Figura 4 Esquema de transmissão OFDMA para MIMO 2x2

Figura 5 Esquema de recepção OFDMA para MIMO 2x2

Entre os trabalhos sobre esquemas de codificação por diversidade, os principais são os de Alamouti (1998), Tarokh, Seshadri e Calderbank (1998) e Tarokh, Jafarkhani e Calderbank (1999). O método de codificação de Alamouti foi originalmente desenvolvido para apenas duas antenas. Em virtude de sua simplicidade e eficiência, essa talvez seja uma das técnicas de codificação por diversidade mais difundidas. A contribuição de Tarokh, Jafarkhani e Calderbank (1999) foi a de generalizar a técnica de Alamouti para um número arbitrário de antenas, criando o conceito de códigos de bloco espaço-tempo (Space-Time Block Code – STBC) (TAROKH; SESHADRI; CALDERBANK, 1998). Com a aplicação de MIMO em OFDM, surgiu também a possibilidade de se derivar códigos de bloco espaço-frequência (Space-Frequency Block Code – SFBC) de forma semelhante ao STBC (LI et al., 2002). Em geral, para que a ortogonalidade dos códigos seja mantida, o canal tem que ser invariante ao longo da palavracódigo. Isso implica um canal plano nas subportadoras das palavras-código do SFBC e em um canal invariante no tempo ao longo dos símbolos das palavras-código do STBC. É importante destacar que o LTE emprega o

esquema de codificação SFBC para possibilitar maior robustez em cenários com alta mobilidade. Por não envolverem um esquema de codificação prévia, transmissões simultâneas por multiplexação espacial sofrem com problemas de interferência entre os sinais multiplexados (KETONEN; JUNTTI; CAVALLARO, 2010). Esses problemas podem ser minimizados se, em vez da detecção conjunta dos sinais, for utilizada uma arquitetura de recepção em que os sinais sejam detectados de forma sequencial, iniciando-se pelo mais forte. Os trabalhos de Foschini (1996), Wolniansky e outros. (1998) e Foschini e Gans (1998) são pioneiros nessa área em decorrência da utilização da arquitetura V-BLAST. O princípio do V-BLAST consiste primeiramente na detecção e regeneração do sinal mais forte. O sinal regenerado é então subtraído do sinal recebido, gerando-se um novo sinal que será utilizado para a detecção do segundo sinal mais forte. O processo é repetido até que todos os sinais transmitidos sejam detectados. Outra linha de trabalho combina as abordagens de diversidade e de multiplexação espacial seguindo a lógica de que cada fluxo de transmissão tenha um esquema de codificação

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Tecnologias de camada física e MAC para redes LTE

Identificador de Grupo:

SS1

SS 2

Cell ID: (SSm, PSn) 504 IDs

SS 168

…… Identificador de Célula:

PS1

PS2

PS3

PS1

PS 2

PS3

PS1

PS2

PS3

Figura 6 Estrutura de sinal para identificação de células 1 frame = 10ms SS PS

1 slot = 0,5 ms 1 subframe = 1 ms

Figura 7 Localização dos sinais primários (PS) e secundários (SS) na estrutura de quadro do LTE, considerando-se prefixo cíclico de tamanho normal

por diversidade para protegê-lo (LEI; HARADA, 2006). Nesse caso, em vez de uma antena, cada fluxo possui um grupo de antenas de transmissão. Os sinais são então detectados iterativamente, por cancelamento de interferência a partir do grupo mais forte. Uma vez detectados os grupos de sinal, pode-se aplicar a decodificação por diversidade. Há, ainda, trabalhos na linha do TURBO-BLAST (SELLATHURAI; HAYKIN, 2002), que utilizam esquemas de decodificação de canal no loop de cancelamento de interferência para melhorar o desempenho da separação dos sinais (KETONEN; JUNTTI; CAVALLARO, 2010). Embora não haja multiplexação espacial, nem mesmo codificação MIMO por diversidade no enlace de subida, o SC-FDMA pode ser potencializado a partir de técnicas de MIMO multiusuário (MU-MIMO) (SPENCER et al., 2004), que permitem o agendamento de mais de um usuário para o mesmo recurso tempo-frequência. Essa técnica pode ser vista como uma técnica de múltiplo acesso por divisão espacial, em que antenas adaptativas na eNodeB são capazes de rastrear os usuários na célula.3

primário (PS) e um secundário (SS) (3GPP, 2009a; KIM; HAN; CHUNG, 2010). Conforme a Figura 6, cada célula pode ser identificada a partir de 504 identificadores, obtidos da combinação de 168 sinais secundários e 3 sinais primários. A partir da detecção dos sinais primários e secundários, é possível não apenas realizar as sincronizações de tempo de símbolo e de frequência da portadora, mas também prover a identificação física da célula, o comprimento do prefixo cíclico e o modo de duplexação FDD ou TDD utilizado na célula. A sincronização inicial por meio da detecção do sinal primário possibilita, ainda, decodificar o canal físico de broadcast (Physical Broadcast Channel – PBCH). Esse canal transmite o MIB (Master Information Block), que contém informações essenciais para o acesso inicial da célula, como, por exemplo, largura de banda do downlink, configuração do canal do indicador do HARQ (Physical HARQ Indicator Channel – PHICH) e número sistêmico do quadro atual. Os três sinais primários são gerados a partir de sequências de Zadoff-Chu de comprimento 63 e M = 25, 29 e 34, conforme a equação:

2.3 Sincronização Os procedimentos de sincronização são realizados a partir da definição de uma estrutura de identificação com dois tipos de sinal: um

PS M n=exp− j

 M n n1  63

para n = 0, 1, 2, ..., 62.

_________________________________________________ 3

Para saber mais, há trabalhos, como o de Prasad, Wang e Wang (2009), que propõem algoritmos mais eficientes no receptor para lidar com MU-MIMO com o uso de pré-filtros e demodulação soft.

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freq

1 frame = 10ms

… 1.08 MHz = 6 RB

tempo

… 1 subframe = 1ms = 2 RB

SS PS

Figura 8 Localização dos sinais de sincronismo SS e PS no grid tempo x frequência4

Essas sequências apresentam uma propriedade muito interessante: a função de autocorrelação rkk(δ) é exatamente zero para δ ≠ 0, o que não ocorre com as sequências pseudoaleatórias (PN). A posição do PS na estrutura de quadro do LTE é mostrada na Figura 7. Na frequência, conforme Figura 8, o PS é transmitido nos 6 blocos de recursos (Resource Block – RB) centrais, de modo que esse mapeamento na frequência seja sempre o mesmo, independentemente da largura de banda utilizada, que pode variar de 6 RBs (1,08 MHz) até 110 RBs (19,8 MHz). O PBCH é transmitido da mesma forma, utilizando-se 6 RBs centrais, porém, 4 slots em vez de 1 e com menor Bloco de Transporte

Bloco de Transporte

CRC

Segmentação

periodicidade de atualização (40 ms). Cada sequência secundária é gerada pela intercalação de duas sequências de comprimento 31, moduladas em BPSK (Binary Phase Shift Keying). Essas duas sequências, SSC1 e SSC2, são versões deslocadas de uma sequência básica de comprimento 31, e o deslocamento de cada sequência é uma função do índice do grupo. Cada sequência é então aleatorizada a partir de um código de scrambling, que depende do índice do PS e do índice do grupo. Há ainda uma alternância entre essas sequências SSC1 e SSC2 no quadro do LTE. Essa alternância é realizada para que os instantes de quadro do LTE possam ser identificados por meio de uma Bloco de Transporte

CRC

Segmentação Cod. Turbo

Cod. Turbo

Cod. Turbo RM + HARQ

RM + HARQ

Scrambling

Modulação

RM + HARQ

Scrambling

Modulação Mapeamento para Antenas

………………

Mapeamento Blocos de Recursos

Até quatro antenas

………

Mapeamento Blocos de Recursos

………

OFDMA

……… SC-FDMA

Figura 9 Cadeias de processamento de blocos de transporte para o enlace de descida

Figura 10 Cadeia de processamento de blocos de transporte para o enlace de subida

_______________________________________ 4

Foi considerado o prefixo cíclico de tamanho normal e cada divisão do grid equivale a um conjunto de 6x2 blocos de recursos (RBs) de rádio.

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Bits Sistemáticos Convolucional 1

Bits de Paridade P1

Bloco de Código D

Entrelaçador QPP do Turbo

Convolucional 2

Bits de Paridade P2

Figura 11 Codificador turbo

simples observação das sequências secundárias. O posicionamento das sequências secundárias no tempo e na frequência é semelhante ao posicionamento das primárias, conforme Figuras 7 e 8. 2.4 Codificação de canal No enlace de descida, mostrado na Figura 9, pode haver até duas cadeias de processamento para se realizar a codificação de canal dos blocos de transporte provenientes da camada MAC (L2). Cada bloco de transporte é mapeado para um bloco de recurso de rádio em um subquadro, que é transmitido a cada 1 TTI (1 ms). O tamanho do bloco de transporte depende da configuração do enlace que, por ser adaptativo, irá definir a relação de compromisso entre robustez e vazão. No caso de transmissões com apenas uma antena, haverá um único bloco de transporte de tamanho variável para cada quadro do LTE. No entanto, no caso de transmissões com múltiplas antenas, a segunda cadeia é utilizada apenas quando há multiplexação espacial. Além disso, mesmo que se empreguem quatro antenas na multiplexação, apenas duas cadeias de processamento serão utilizadas. Isso não implica limitação de vazão, uma vez que o tamanho do bloco de transporte é variável. No enlace de subida, entretanto, não se utiliza multiplexação espacial ou mesmo transmissão por diversidade. Por esse motivo, há apenas uma cadeia de processamento com bloco de transporte de tamanho variável, conforme Figura 10. O primeiro passo na cadeia de processamento de canal é a inserção de um código de 24 bits em cada bloco de transporte, para detecção de erros por meio de verificação de redundância cíclica (Cyclic Redundancy Check – CRC). Essa informação é utilizada pelo algoritmo de HARQ

que pode requisitar a retransmissão do bloco de transporte, caso seja detectado algum erro na recepção. O passo seguinte consiste em segmentar o bloco de transporte em blocos menores que casem com os tamanhos predefinidos de blocos suportados pelo interleaver do codificador turbo. Nesse processo, pode ser necessário inserir bits de preenchimento para se alcançar os tamanhos de blocos predefinidos. Além disso, também é necessário adicionar um CRC por bloco de código. Esse recurso é utilizado para se detectar com antecedência a existência de erros no bloco de transporte, reduzindo-se, assim, o esforço computacional e o consumo de potência do receptor. É importante destacar que a segmentação não é um modo de operação típico, e é realizada apenas quando o bloco de transporte supera o tamanho máximo do bloco de código suportado pelo interleaver, que é de 6.144 bits. No LTE, a codificação de canal dos blocos de transporte é realizada apenas por codificação turbo de taxa 1/3 (3GPP, 2009b). A estrutura do codificador turbo empregada no LTE é mostrada na Figura 11. Essa estrutura utiliza os mesmos dois codificadores convolucionais de taxa 1/2 e 8 estados, que constituíam o codificador turbo do WCDMA e do HSPA. Porém, o entrelaçador utilizado no WCDMA e HSPA foi substituído no LTE pelo entrelaçador QPP (Quadrature Permutation Polynomial). A função de mapeamento do entrelaçador QPP é dada por: 2

c i= f 1 i f 2 i mod K 

onde i é o índice do bit na saída do entrelaçador, c(i) é o índice do mesmo bit na entrada e K é o tamanho do bloco de codificação. O padrão que especifica o LTE define uma lista de tamanhos de blocos de código, que variam de 40 a

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Bits Sistemáticos

s1 s 2 … sK

p1( 1) p2(1) … pK( 1)

Entrelaçador Sub-Bloco

p1( 2) p2(2) … pK( 2)

Escreve no Buffer

pK(2) s1

s2 …

Entrelaçador Sub-Bloco

RV3

pK( 1)

Leitura do Buffer

sK …

Bits Paridade P2

Entrelaçador Sub-Bloco

…

Bits Paridade P1

RVi

RV0

p2(1) p1(2)

p1( 1)

Saída

RV1

RV2

Figura 12 Rate matching (RM) para ajustar a taxa de codificação e gerar retransmissão, de acordo com a técnica de combinação do HARQ

6.144 bits, e de valores dos parâmetros f1 e f2. A etapa seguinte ao processo de codificação turbo consiste em ajustar a taxa de codificação. Trata-se de um processo de puncionamento realizado pelo rate matching (casador de taxa). A função principal do rate matching é possibilitar o descarte automático dos bits de paridade, de forma que se obtenha a quantidade de bits exata para se preencher um bloco de recurso de rádio em um TTI. Esse processo pode ser controlado a partir de um buffer circular (CHENG et al., 2008). Conforme Figura 12, as saídas Bits Sistemáticos, Bits de Paridade P1 e Bits de Paridade P2 são, em um primeiro momento, entrelaçadas separadamente. Em seguida, os bits são escritos em um buffer circular a partir dos bits sistemáticos, seguidos pelos bits de paridade P1 e P2 de forma alternada. A leitura do buffer é, então, realizada de acordo com a versão de redundância RV até que se preencha o recurso de rádio. Supondo-se, por exemplo, que para preencher um bloco de recurso de rádio seja necessária uma codificação turbo de taxa 2/3, e sabendo-se que a codificação turbo é de taxa 1/3 a , será necessária a leitura de apenas 50% dos bits escritos do buffer para se obter a taxa de codificação desejada de 2/3. O buffer circular possibilita, ainda, retransmissões com versões de redundância diferentes (RV0, RV1, RV2 e RV3). As versões de redundância se diferem simplesmente pelo ponto de leitura inicial do buffer. Essa estratégia possibilita o suporte das funcionalidades de retransmissão requeridas pelo HARQ. Se, por exemplo, for utilizado o esquema HARQ de chase combining (CC), a retransmissão será feita com a mesma versão de redundância RV0 da transmissão original. Nesse caso, os blocos são combinados no receptor utilizando o MRC (Maximal Ratio Combining), aumentando-se a relação sinal-ruído do sinal a ser decodificado. Por outro lado, se for utilizado o esquema HARQ de redundância incremental (IR), as retransmissões serão feitas com versões de redundância diferentes. Essa estratégia

permite que novos bits de paridade possam ser adicionados ao bloco a ser decodificado pelo receptor. O resultado é um bloco de bits com taxa de codificação menor que a do bloco original e, por conseguinte, com maior capacidade de correção de erros. É importante destacar que embora o rate matching do HARQ possa ser utilizado com ambos os esquemas CC e IR, o LTE emprega apenas o esquema IR. O último bloco de processamento da cadeia de codificação de canal é um scrambler (aleatorizador) (3GPP, 2009b), que é aplicado em cada bloco de bits gerado pelo processo de transmissão/retransmissão HARQ. Esse processamento consiste em aleatorizar o bloco de bits de entrada pela multiplicação (ou exclusivo) bit a bit entre esse bloco de bits e uma sequência de scrambling. Células vizinhas utilizam sequências de aleatorização distintas, possibilitando que o receptor garanta o ganho de processamento da codificação de canal, minimizando a interferência de sinais provenientes de células adjacentes. 3

Camadas L2 e L3

3.1 Enlace adaptativo A evolução das redes de terceira geração do 3GPP culminou no LTE com rede de tráfego inteiramente por pacotes. Em versões anteriores do sistema, baseadas na tecnologia WCDMA, era necessário um controle rápido de potência em malha fechada com taxa de atualização aproximadamente constante para se suportar serviços de comutação por circuito. No entanto, na interface aérea do LTE, a otimização do tráfego para pacotes reflete a capacidade de canal de cada usuário. O processo de otimização ajusta dinamicamente os esquemas de modulação e de codificação de canal, de forma a se obter a maior taxa de bit possível para cada usuário, de acordo com as condições preditas de canal. A Figura 13 ilustra esse processo. O indicador de qualidade de canal (CQI) é uma

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Dados

Codificador CRC

Codificador Turbo

PUCCH: ACK/NACK

Dados

Check CRC

Decodificador Turbo

Modulação

OFDMA

CQI

Adaptação do Enlace

Demodulação

DAC/ RF

Estima Canal

OFDMA

Canal

DAC/ RF

Figura 13 Realimentação de informações para enlace adaptativo (CQI) e HARQ (ACK/NACK)

entrada importante e é informado pelo UE no enlace de subida. O CQI é um indicador de taxa de dados que pode ser suportado pelo canal, levando-se em conta a relação do nível de sinal por interferência mais ruído (SINR) e as características do receptor do UE. A partir de sinais de referência do downlink, o UE pode estimar o canal e informar os parâmetros de modulação e de codificação mais altos que podem ser decodificados com probabilidade de erro inferior a 10%. Na adaptação do enlace de subida, não é necessário informar a eNodeB sobre a condição de canal, uma vez que é possível estimá-la diretamente através de sinais de referência do uplink. O trabalho de Kolehmainen e outros (2008) apresentou um estudo sobre o compromisso entre o overhead na transmissão do CQI e o ganho de desempenho do sistema por haver mais informações sobre o canal obtidas a partir dos domínios do tempo e da frequência. De acordo com os autores, o emprego conjunto de enlace adaptativo e scheduling FDPS (Frequency Domain Packet Scheduling) pode prover ganhos de vazão e de cobertura no downlink da ordem de 40%, sob o custo de se aumentar a taxa de sinalização no uplink. O trabalho de Kolehmainen investiga a melhor relação de compromisso entre o desempenho do downlink e a sinalização no uplink. Foram utilizados os seguintes esquemas de informação do CQI, empregando enlace adaptativo e FDPS: a) Full Feedback CQI, que relata o CQI para todos os blocos de recursos (RBs); b) Wideband CQI, que relata o CQI médio dos RBs; c) Best-M Individual, que relata os M valores individuais de CQI mais altos (3GPP, 2007); d) Best-M Average, que relata os M maiores valores em média (3GPP, 2007); e) Threshold Based CQI (3GPP, 2007; KOLDING; FREDRIKSEN; POKHARIYAL,

2006); f) Discrete Cosine Transform Based CQI (3GPP, 2006). Não foram considerados esquemas de scheduling e de enlace adaptativo para cenários com MIMO. Estudos semelhantes também foram conduzidos em Svedman e outros (2004), Kolding, Fredriksen e Pokhariyal (2006), e Sun e outros (2006) para sistemas OFDMA, em geral. No estudo realizado por Kolehmainen e outros (2008), concluiu-se que medidas de CQI tomadas a cada 2 ms e com resolução de 2 RBs são suficientes para capturar os comportamentos de seletividade, na frequência, e de variação, no tempo. Além disso, entre as técnicas testadas, o Best-M Average e o Threshold Based CQI apresentaram a melhor relação de desempenho (vazão e cobertura) por taxa de sinalização no uplink. A especificação do LTE define a sinalização disponível entre a eNodeB e o UE para a adaptação do enlace (modulação e codificação de canal) pela eNodeB. Os métodos de otimização não são padronizados, o que provê grande flexibilidade na forma de se explorar a informação disponível para se realizar a adaptação do enlace. É importante destacar, porém, que a escolha dos parâmetros de modulação e de taxa de codificação não depende apenas das condições do canal. Essa escolha depende, também, de uma série de outros fatores, que inclui a qualidade de serviço requerida e a vazão da célula. Ademais, os métodos de adaptação de enlace devem operar em conjunto com os métodos de scheduling, para que os blocos de recurso de rádio possam ser compartilhados eficientemente entre os usuários à medida que a capacidade de canal individual varie. 3.2 Scheduling Em linhas gerais, a principal tarefa do scheduling no OFDMA é alocar pares de blocos de recursos

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de rádio (1 ms e 12 subportadoras) inteligentemente para diferentes usuários, de modo a alcançar a maior vazão possível na célula (LUO et al., 2010). É importante lembrar que pares de blocos de recurso no LTE são a menor unidade de recurso de rádio alocável de um grid símbolo-subportadora (tempo-frequência), e correspondem a 12 subportadoras para cada 14 símbolos OFDMA (1 ms), conforme Figura 2. Esses blocos podem ser independentemente modulados por fluxos de mais baixa taxa de bits provenientes de diferentes usuários. Entre os algoritmos de scheduling, os mais conhecidos são: o Maximum Carrier-toInterference (C/I), o Round-Robin e o Proportional Fairness (PF). O Maximum C/I basicamente classifica os usuários de acordo com a relação instantânea de C/I, provendo mais recursos de rádio para aqueles que possuem melhor qualidade instantânea de canal. Esse algoritmo possibilita, dessa forma, maximizar a vazão total, mas limita a capacidade de usuários no sistema. O Round-Robin torna o scheduling mais justo, no sentido que será atendido o usuário que estiver esperando há mais tempo. Porém, essa técnica não leva em conta a qualidade do canal e, devido ao enlace adaptativo do sistema, pode-se levar muito tempo para atender um usuário com indicador ruim de canal, podendo degradar significativamente a vazão total de dados. O Proportional Fairness (KIM; HAN, 2005), scheduling mais comumente utilizado (JUNGNICKEL et al., 2009), procura atender à relação de compromisso entre maximizar a vazão de dados do sistema e permitir um nível mínimo de serviço para todos os usuários. Isso geralmente é realizado por meio da adição de alguma forma de priorização inversamente proporcional à quantidade de recursos de rádio estimada para um dado usuário. Entretanto, o problema do Proportional Fairness está em não garantir uma latência fixa para os usuários, o que limita as aplicações baseadas em serviços multimídia de tempo real. Quando o problema é garantir uma latência fixa, pode ser mais interessante utilizar alguma técnica que explore a equidade instantânea (Instantaneous Fairness), em vez da proporcional. Melhorias no scheduling também têm sido propostas para o LTE. Em Luo e outros (2010), tendo por base os resultados de alocação de recursos de rádio e a qualidade instantânea de canal (CQI), é proposta uma otimização ao longo de várias camadas (cross-layer). Esse esquema possibilita determinar dinamicamente os parâmetros de modulação, de codificação e do codec, de forma a maximizar a taxa de bit dos usuários e melhorar perceptivelmente a qualidade para aplicações de vídeo. Kwan, Leung e Zhang (2008) propõem maximizar de forma

conjunta as taxas de bits de todos os usuários, a partir de uma solução subótima obtida do particionamento do modelo de otimização em modelos single-user menores e paralelos. Em Xu e outros (2006), a proposta de scheduling é baseada em uma otimização por gradiente, com restrições de taxas de bit mínima e máxima sobre o canal de dados compartilhados do downlink (Shared Data Channel – SDCH). Em Bonald (2004) e Lei e outros (2007), são propostas formas de priorização que exploram a equidade instantânea e tornam o desempenho do scheduler semelhante ao do PF para cenários ideais, sem os problemas de perda de desempenho que existem no PF para cenários com desvanecimento muito rápido. Em Jungnickel e outros (2009), o scheduling utiliza realimentações do terminal de usuário para possibilitar a caracterização do canal MIMO, mesmo que de forma superficial. Nesse caso, o CQI é utilizado para que a estação-radiobase possa selecionar o melhor modo de transmissão e, ao mesmo tempo, prover equidade instantânea. De forma semelhante, o trabalho em Wei e outros (2008) utiliza a informação de seletividade em frequência baseada no CQI para realizar o scheduling no domínio do tempo, da frequência e do espaço. 3.3 HARQ O HARQ é uma combinação de correção de erros de canal (Forward Error Correction – FEC) e solicitação automática de repetição (Automatic Repeat Request – ARQ) baseada em código CRC de detecção de erros (DAHLMAN, et al., 2008). Conforme Figura 13, após a transmissão de um bloco de transporte, o UE decodifica esse bloco, verifica o CRC e informa a eNodeB por meio de uma mensagem ACK (acknowledgement) ou NACK (negative acknowledgement). Essa mensagem é transmitida no canal físico de controle do uplink (PUCCH). No caso de um acknowledgement negativo (NACK), a eNodeB retransmite o bloco. O receptor (UE) combina, então, a retransmissão com a transmissão original para executar novamente o decodificador turbo. No LTE, esse processo é executado de forma que o rate matching (RM) pare de transmitir até receber uma mensagem ACK do UE. Essa é a forma mais simples de se realizar o HARQ, mas exige que mais de um processo HARQ-RM seja executado em paralelo, para possibilitar o fluxo contínuo de dados. Enquanto um processo HARQ-RM espera pelo ACK, outro processo pode ser disparado pela eNodeB para transmitir dados pelo canal. No LTE, o número máximo de processos simultâneos por usuário é limitado em oito, tanto para o uplink quanto para o downlink. Há dois tipos de HARQ (DAHLMAN, et al., 2008), CC e IR, que se diferenciam pela forma como o

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bloco de transporte é retransmitido e combinado no receptor. Ambos os métodos podem ser considerados soft combining, porque o bloco original não é descartado e, sim, combinado com o bloco retransmitido. Entre os dois métodos de recombinação, o LTE emprega apenas o IR. O método CC retransmite o bloco com a mesma configuração do bloco original, ou seja, com os mesmos dados (bits sistemáticos) e com os mesmos bits de paridade. No receptor, a combinação com o bloco original é então feita por MRC. Esse é um método de combinação por diversidade que melhora a relação sinal-ruído do pacote a ser decodificado cada vez que uma nova retransmissão é realizada. No método de redundância incremental (IR), são transmitidos bits de paridade adicionais a partir da seleção apropriada da versão de redundância do rate matching. No receptor, os bits de paridade são combinados e o bloco resultante passa a ter uma taxa de codificação mais baixa, tornando-se mais robusto para decodificação de canal. Dessa forma, a cada transmissão adicional, mais bits de paridade são adicionados ao receptor para o mesmo bloco de dados, tornando a taxa de codificação cada vez menor. 3.4 Controle de potência O controle de potência tem o objetivo de melhorar a capacidade do sistema, a cobertura e o nível de sinal (maior taxa de dados e melhor qualidade de voz), além de reduzir o consumo de potência (DAHLMAN, et al., 2008). Para alcançar esses objetivos, o mecanismo de controle de potência normalmente tenta maximizar a potência dos sinais recebidos pelo UE, gerando o mínimo de interferência possível nas células adjacentes. Geralmente, quanto mais próximo um UE estiver da borda de uma célula vizinha, maior será a interferência. Conforme a necessidade de se compensar as variações do canal, podem existir dois esquemas de controle de potência: slow e fast. Há, ainda, outros esquemas relacionados ao conteúdo das informações que são enviadas ao UE para configurar sua potência: a) Open Loop Power Control: a potência do UE é configurada com base apenas nas informações provenientes da eNodeB. Nenhum tipo de informação referente à potência é enviada à eNodeB pelo UE; b) Close Loop Power Control: a potência é controlada através das informações da eNodeB, assim como no open loop, porém, neste esquema, o UE realimenta a eNodeB com informações referentes à potência. Além dos esquemas apresentados, existe, ainda, a possibilidade de obtenção de esquemas híbridos através da combinação entre eles. Como exemplo, pode-se citar o Fast Close Loop

Power Control, que gera um certo overhead no sistema, mas permite compensar as interferências e as condições do canal com mais precisão. O oposto desse exemplo é o Slow Open Loop Power Control, que não exige muita banda do sistema, pois evita o overhead de informação da eNodeB. Esse método é simples, porém, não é apropriado para compensar variações rápidas de canal que possam ser ocasionadas pela alta mobilidade do usuário. Conclusão Este artigo apresentou as principais tecnologias da interface de rádio do LTE, consideradas estado da arte em comunicações digitais. O emprego de tecnologias como, por exemplo, OFDMA, MIMO, codificação turbo, HARQ, modulação adaptativa, entre outras, possibilita que o LTE alcance taxas de 300 Mbit/s em uma banda de 20 MHz. A importância de tais tecnologias se reflete na sua utilização na especificação de sistemas de quarta geração, como o LTE Advanced. Em tais sistemas, pode-se alcançar taxas de bits superiores a 1 Gbit/s, o que representa um aumento da eficiência espectral da ordem de 1,4 vezes, quando comparado ao LTE. Essas tecnologias são extremamente flexíveis e possibilitam que o sistema de comunicação se autoajuste à capacidade de canal do usuário, provendo mobilidade e alto desempenho para velocidades de até 120 km/h, sem perda de conexão. O grau de sofisticação do sistema possibilita, ainda, que haja balanceamento da carga de forma a obter a maior vazão de dados possível por usuário, considerando-se a qualidade de serviço contratada e os mecanismos de priorização. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio dado a este trabalho, desenvolvido no âmbito do projeto “Redes de Acesso Sem Fio Avançadas” que contou com recursos do Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações – FUNTTEL, do Ministério das Comunicações, através do Convênio nº 01.09.0631.00 com a Financiadora de Estudos e Projetos – FINEP. Referências 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT. 3GPP TSG RAN WG1: DCT based CQI reporting scheme. Contribution R1-061777. Jun. 2006. ______. 3GPP TSG RAN WG1#49: CQI design and its impact to DL performance. Contribution R1-071682. Mar. 2007. ______. 3GPP TS 36.211: Physical Channels

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Abstract 3GPP Long Term Evolution (LTE) mobile cellular technology is one of the major steps towards 4G broadband wireless networks, mainly due to its air interface solution. There is a lot of redundant information spread throughout the literature which may cause the search experience to be hard and unproductive. The objective of this article is to provide a state-of-the-art synthesis of the PHY and MAC technologies which integrate the air interface solution, by organizing and presenting these technologies in a compact form with focus on what is considered essential to the understanding of the LTE radio technology. Key words: LTE. OFDMA. SC-FDMA. MIMO. Scheduling.

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Rádios cognitivos: desafios e tendências Juliano João Bazzo*, Fabbryccio A. C. M. Cardoso, Donato Manzan Júnior, Edson José Bonon, Ricardo Takaki, Douglas Gameiro Diniz Este artigo faz uma revisão dos desafios e tendências dos rádios cognitivos, no âmbito do sensoriamento de espectro, incluindo questões de cooperação entre os elementos da rede, regulamentação, padronização e plataformas existentes. Serão descritas as iniciativas de pesquisa e desenvolvimento sobre o assunto, bem como os esforços de regulamentação, nos EUA e no Brasil, e de padronização pelo IEEE e ETSI. Finalmente, serão revisadas algumas estratégias de sensoriamento de espectro, os desafios da utilização de múltiplas antenas e as plataformas de desenvolvimento para rádios cognitivos. Palavras-chave: Rádios cognitivos. Rádio definido por software. IEEE 802.22. Sensoriamento cooperativo. Introdução Os sistemas de comunicação sem fio atuais empregam intensivamente técnicas cada vez mais avançadas de transmissão digital (AHONEN; KASPER; MELKKO, 2004). Exemplos podem ser citados e incluem desde as tecnologias celulares LTE (Long Term Evolution), HSPA (High Speed Packet Access), WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), GSM (Global System for Mobile Communications) e CDMA2000, passando pelas redes locais e metropolitanas sem fio Wi-Fi (Wireless Fidelity) 802.11g e WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) 802.16e, até a televisão DVB-T (Digital Video Broadcasting – Terrestrial), ISDB-T (Integrated Services Digital Broadcasting – Terrestrial), ATSC (Advanced Television Systems Committee) e a radiodifusão de áudio DAB (Digital Audio Broadcasting) e IBOC (In-Band On-Channel). Em um sistema de comunicação digital, o núcleo de processamento dos transceptores é desenvolvido em dispositivos digitais e envolve funcionalidades de banda base digital, tais como: modulação, multiplexação e codificação. Se o dispositivo digital for programável, como no caso dos processadores digitais de sinais (Digital Signal Processors – DSPs), FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) ou um processador de propósito geral, então o sistema de comunicação é de fato definido pelo software que é carregado no dispositivo. O rádio definido por software (RDS) segue essa linha e estende esse conceito para possibilitar que um mesmo hardware possa ser reutilizado na implementação, por software, de diferentes sistemas de comunicação. Portanto, o RDS pode ser considerado uma plataforma de comunicação que suporta uma grande variedade de sistemas em diferentes faixas de operação. A Figura 1 mostra a arquitetura do RDS ideal e real. No primeiro caso, a antena está mais próxima dos conversores AD (Analógico para Digital) e DA

(Digital para Analógico), o que aumenta o custo dessa abordagem, uma vez que é necessário que os conversores operem com uma taxa de amostragem muito elevada, diretamente em radiofrequência (RF). A vantagem da arquitetura ideal é sua flexibilidade, por não ser necessário o uso do circuito de transposição utilizado no RDS real, o que impõe limitações técnicas da faixa de RF para uma frequência intermediária (IF) na banda base (BB) (MOY; RAULET, 2010).

Componentes de Processamento Digital de Sinal

Conversor A/D

Ampl. Potência / Filtro

Antena

LNA / Filtro

Antena

(a)

Componentes de Processamento Digital de Sinal

Ampl. Pot. / Filtro

Conv. IF A/D BB

RF LNA / Filtro

(b) Fonte: MOY; RAULET, 2010.

Figura 1 (a) Arquitetura de rádio definido por software ideal; (b) arquitetura de rádio definido por software real

Com o aumento da capacidade de processamento dos dispositivos digitais, também é natural cogitar que qualquer software executado pelas plataformas de RDS passe a agregar novas e mais complexas

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: jbazzo@cpqd.com.br. Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n.1, p. 23-34, jul. 2010/jun. 2011

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funcionalidades. Uma dessas funcionalidades é a cognição, originalmente proposta por Mitola e Maguire (1999) como uma forma de tornar o sistema de comunicação mais ajustado às necessidades pessoais do usuário. Por exemplo, supondo que o software percebesse um cenário de visada direta e com propagação favorável, ele poderia desligar parte das funcionalidades relativas à compensação das degradações causadas pelo ambiente de propagação. Isso possibilitaria economizar bateria. Observe que, para executar tal funcionalidade, o RDS teria que reconhecer o ambiente de propagação, avaliar e tomar decisões de forma automática. Para que os rádios possam decidir e avaliar, é necessário construir uma base de conhecimento estruturada para que as máquinas possam interpretar, executar, reutilizar e eventualmente estender seus conhecimentos. Para isso, torna-se necessária a criação de uma semântica para definir os processos do rádio cognitivo (RC). A construção desta semântica é um dos grandes tópicos de pesquisa de rádios cognitivos na atualidade (MANGOLD; MONNEY, 2005). Uma das aplicações mais promissoras do rádio cognitivo é o sensoriamento de espectro, em que o rádio busca as faixas de frequência mais apropriadas para operação. Segundo Mangold e Monney (2005), o rádio cognitivo deve ser capaz de detectar os sinais dos transmissores primários e estabelecer uma relação entre sua potência de transmissão e o espaço-temporal disponível para a ocupação do canal sem causar interferência nos receptores primários. Essa aplicação de sensoriamento pode ser uma solução para se fazer um uso mais efetivo do espectro licenciado de TV, que é bastante subutilizado. Uma aplicação de rádio cognitivo poderia varrer as faixas de frequência para identificar aquelas que não estejam sendo utilizadas no momento. Essas faixas poderiam, então, ser utilizadas para operação do rádio cognitivo como serviço secundário. O rádio teria, ainda, que ser capaz de mudar de faixa sempre que percebesse a entrada de um serviço primário em sua faixa de operação. Considerando-se apenas o uso oportunista do espectro de TV, vários desafios ainda precisam ser superados. O primeiro desses desafios envolve o aspecto regulatório. Para se operar como serviço secundário em faixas licenciadas, é necessário que sejam estabelecidas as regras de operação pela agência reguladora do país. Há um forte movimento global nesse sentido (CORDEIRO et al., 2006; MANGOLD; MONNEY, 2005). Outro aspecto importante é a padronização de técnicas e sistemas para facilitar a interoperabilidade e reduzir custos de produção. Este artigo apresenta o estado regulatório atual e os principais padrões que estão sendo definidos no mundo. Discute as principais tecnologias utilizadas nos rádios

cognitivos e aponta as respectivas tendências de evolução. Além disso, também são analisadas as plataformas de RDS que podem viabilizar as aplicações de rádio cognitivo, especialmente as de sensoriamento de espectro. 1

Regulamentação e padronização

Nas seguintes seções, serão descritos os movimentos regulatórios no Brasil e nos Estados Unidos, país onde o assunto está sendo mais tratado, e as iniciativas de padronização do IEEE e também do ETSI (Instituto Europeu de Padronização em Telecomunicações). 1.1 Regulamentação A regulamentação do acesso compartilhado do espectro entre usuários licenciados e oportunistas ainda não foi realizada pela Anatel no Brasil. No entanto, na agenda da 12a plenária (ANATEL, 2010), realizada no mês de setembro de 2010, já constavam discussões sobre sistemas de rádio cognitivo, mostrando que a agência já iniciou as discussões sobre o assunto com a sociedade. As discussões estão em um estágio mais avançado nos Estados Unidos, sendo que o órgão de regulamentação das comunicações, o FCC (Federal Communications Commission), já publicou um memorando, em 2008, com as regras de utilização do espectro compartilhado (FCC, 2008). Em resumo, algumas regras importantes são: a) equipamentos que não estejam operando no modo cliente, como uma estação-radiobase, por exemplo, devem incluir a capacidade de geolocalização e ter acesso a uma base de dados, administrada por uma outra entidade, que contenha os canais que podem ser utilizados por usuários não licenciados em uma dada região; b) a banda de operação é entre os canais 2 e 51 (exceto canais 3, 4 e 37) ou entre 54 e 698 MHz; c) equipamentos fixos podem operar com potência máxima de 4 watts EIRP (Effective Isotropic Radiated Power); d) equipamentos pessoais portáteis podem operar com até 100 miliwatts de potência, exceto em canais adjacentes, que devem ser limitados até 40 miliwatts. No memorando de 2008 (FCC, 2008), uma regra ditava que os equipamentos não licenciados deveriam evitar a interferência em microfones sem fio e estações de TV licenciadas. Em 2010, a FCC emitiu um novo memorando (FCC, 2010) anulando a regra, principalmente motivada por empresas como Google, Dell e Microsoft, que alegaram que o custo de desenvolvimento de detectores com alta sensibilidade (e sua posterior

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Rádios cognitivos: desafios e tendências

inclusão nos equipamentos dos usuários) seria muito alto (SIMONITE, 2010). Quanto aos microfones, alguns canais poderão ser alocados exclusivamente ou obrigados a utilizar faixas não licenciadas. Nos Estados Unidos, para os equipamentos cognitivos, a FCC autorizou a utilização de informações de uma base de dados com a lista de canais em uso por região, incluindo o sinal de TV analógica e digital e microfones sem fio. Essa base de dados ainda não existe, mas a indústria já começou a trabalhar nela. Este memorando da FCC está em vigor desde novembro de 2008 (FCC, 2008). 1.2 O padrão IEEE 802.22 O IEEE 802.22 (IEEE P802.22, 2010) é um padrão para Redes Sem Fio para Áreas Regionais (Wireless Regional Area Network – WRAN), principalmente para áreas de baixa densidade populacional e tipicamente rurais, que utilizam o espectro sem uso na faixa licenciada de TV, VHF e UHF entre 54 e 862 MHz. Os CPE (Customer-Premises Equipment) certificados de acordo com o padrão poderão operar na banda de TV sem que causem interferência nos canais de TV licenciados e microfones sem fio (AHONEN; KASPER; MELKKO, 2004). A expectativa é que o padrão esteja pronto até o primeiro semestre de 2011 (IEEE, 2011). O padrão inclui funções de rádio cognitivo, como, por exemplo, gerenciamento e sensoriamento de espectro, geolocalização e uso de uma base de

dados com informações do uso do espectro. A taxa de transmissão esperada para o canal direto do CPE é de 1,5 Mbit/s, enquanto que para o canal de retorno espera-se até 384 kbit/s. O raio de cobertura deve ser de, no máximo, 33 km. A eficiência espectral varia de 0,5 até 5 bit/s/Hz, considerando a média de 3 bit/s/Hz, e corresponde a uma taxa de dados de camada física (PHY) de 18 Mbit/s de canal de TV de 6 MHz. A Figura 2 mostra as características do padrão 802.22 em relação a outros padrões de rede sem fio. É possível notar que o padrão irá explorar uma cobertura com raio superior ao das redes WiMAX, padrão IEEE 802.16, e frequências entre 54 e 862 MHz. No entanto, o aumento do raio de cobertura leva ao aumento do prefixo cíclico, que pode ser traduzido como um tempo de guarda entre transmissões consecutivas. Em redes Wi-Fi, o prefixo cíclico é da ordem de 0,25 µs enquanto no padrão 802.22, de até 33 µs. Durante esse tempo, como não há transmissões, gera-se um desperdício de recursos, que é um dos motivos da menor eficiência espectral das redes regionais (Regional Area Network – RAN). A frequência de operação especificada no padrão varia de 54 até 862 MHz, porém, nos Estados Unidos, somente frequências abaixo de 698 MHz são permitidas pela FCC (2008). O padrão 802.22 possui suporte aos mecanismos de QoS e proteção aos incumbentes (receptores de TV e usuários primários) para operação na banda licenciada.

Fonte: IEEE, 2010.

Figura 2 Característica do padrão 802.22 WRAN em relação aos outros padrões de rede sem fio existentes segundo o IEEE

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O sistema 802.22, que não possui suporte à mobilidade, especifica a interface aérea sem fio ponto-multiponto (PMP), em que uma BS (base station) gerencia suas próprias células e todos os CPE associados. Diferentemente de uma BS tradicional, a BS desempenha a função de assegurar a proteção às operadoras incumbents, instruindo os CPE associados a realizarem medidas nos diferentes canais de TV, e de decidir os passos a serem tomados, através da realimentação recebida. A camada PHY do padrão utiliza a técnica de acesso OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) para o enlace direto e de retorno. O espalhamento temporal (delay spread) é longo, entre 25 e 50 µs para grandes áreas e áreas metropolitanas, levando em conta a escolha do prefixo cíclico da ordem de 33 µs, conforme mostra a Figura 2. Um canal de TV utiliza 2048 portadoras (IEEE, 2010). Os esquemas de modulação suportados são o QPSK, o 16-QAM e o 64-QAM, com esquema de codificação convolucional de taxa 1/2, 3/4 e 2/3. Além disso, operam a taxas de dados de poucos kbit/s por subcanal, até aproximadamente 18 Mbit/s por canal de TV. O padrão especifica uma largura de banda máxima de 3 canais de TV adjacentes de 6 MHz, totalizando, assim, 18 MHz (CORDEIRO et al., 2006). O quadro do padrão 802.22, conforme mostra a Figura 3, é muito similar ao quadro do padrão WiMAX 802.16. O tamanho do quadro é de 10 ms, que é dividido entre o subquadro do canal

direto e reverso. No início do quadro, envia-se o preâmbulo para que os CPE possam identificar seu início. Em seguida, enviam-se os dados de controle para que os CPE possam, por exemplo, identificar se há dados a receber e espaço para transmissão no quadro do enlace reverso. É importante observar (conforme Figura 3) a existência de alguns símbolos no quadro para tratar da coexistência, ou seja, diferentes redes que operam na mesma faixa de frequência. Esse é um fator agravante na complexidade do padrão, cujo objetivo é operar na forma secundária. 1.3 O padrão IEEE 1900 O Comitê de Coordenação de Padrões SCC41 (Standards Coordinating Committee – SCC) do IEEE iniciou a série 1900 para tratar da padronização da próxima geração de rádios cognitivos e gerenciamento de espectro (CORDEIRO et al., 2006). O foco está em melhorar o uso do espectro. As novas técnicas e métodos do acesso dinâmico ao espectro requerem novas interfaces de gerenciamento, coordenação das tecnologias sem fio e o compartilhamento das informações das redes. Um resumo de cada Grupo de Trabalho (Working Group – WG) é apresentado a seguir. 1.3.1 IEEE 1900.1: Conceitos e Definições Padrão para Gerenciamento de Espectro e Tecnologias Avançadas de Sistemas de Rádio Este WG é responsável pela criação do glossário de importantes conceitos e termos relacionados a rádios cognitivos.

Fonte: IEEE, 2010.

Figura 3 Exemplo da estrutura de quadro do 802.22 segundo o IEEE

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Rádios cognitivos: desafios e tendências

1.3.2 IEEE 1900.2: Prática Recomendada para Análise de Interferência e Coexistência

b) IEEE 802.19: Grupo Conselheiro Técnico de Coexistência;

O objetivo do WG 1900.2 é recomendar os critérios de análise de interferência e estabelecer um processo comum de medida e análise de interferência entre sistemas de rádio. Impactos e formas de mitigar a interferência também são tratadas na norma, além dos níveis de incerteza aceitáveis para as medidas.

c) IEEE 802.21: Grupo Conselheiro Técnico para Serviços de Handover Independente do Meio;

1.3.3 IEEE 1900.3: Prática Recomendada para Avaliação de Conformidade de Módulos de Software para os Rádios Definidos por Software Neste WG são desenvolvidos testes e métodos para análise de conformidade dos módulos de software dos RDSs. O objetivo é definir um conjunto de recomendações que ajudem a medir a coexistência e a validar os módulos de software antes de se prosseguir com a validação e certificação final dos equipamentos. 1.3.4 IEEE 1900.4: Suporte de Coexistência para as Interfaces Aéreas Heterogêneas e Reconfiguráveis O WG 1900.4 definirá a arquitetura do sistema como um todo, dividindo as funcionalidades entre os terminais e a rede, e também a informação trocada entre entidades coordenadoras. Seus objetivos principais são aumentar a utilização do sistema como um todo pelos terminais configuráveis e aumentar a percepção da QoS. Todos os equipamentos em conformidade com o IEEE 1900.4 devem operar de uma maneira oportunística e dinâmica, de modo a não degradar o desempenho dos equipamentos primários. Equipamentos com capacidades cognitivas trazem novos desafios para o processo de certificação. Em comparação aos rádios tradicionais, é mais difícil provar que um rádio cognitivo mantém-se dentro dos limites operacionais. Vendedores de rádio devem futuramente conhecer as metodologias de design e os procedimentos de teste para afirmar que um equipamento não irá interferir nos usuários primários para um dado canal de frequência. Diferentes níveis de confiabilidade podem ser definidos para determinada faixa espectral e seu usuário primário. Por exemplo, para os rádios cognitivos que atuam na banda de aviação, a capacidade de detectar atividades de usuários primários deve ter um alto nível de confiabilidade. Outros projetos do IEEE relacionados à próxima geração de rádios servem de referência para o IEEE SCC41: a) IEEE 802.18: Grupo Conselheiro Técnico para Regulamentação de Rádio;

d) IEEE 802.22: Grupo de Trabalho em Redes Sem Fio Regionais. Desse modo, a coexistência de redes e a utilização dos espaços em branco do espectro são temas amplamente estudados pelo IEEE, principalmente nos padrões IEEE 1900 e 802.22. 1.4 A padronização na Europa O Instituto Europeu de Padronização em Telecomunicações (ETSI) criou em 2008 o Comitê Técnico (CT) para Sistemas de Rádio Reconfiguráveis (SRR) (MUECK, 2009). O comitê realiza um trabalho complementar ao que é feito pelo IEEE SCC41 e às atividade do IEEE 802, em conformidade com os padrões de SDR, que vão além do escopo do IEEE, com os padrões de RC/RDS, incluindo as necessidades específicas da estrutura regulatória europeia, e com os padrões de RC/RDS para os segmentos de espectro de TV adaptados às características do sinal de TV digital na Europa. O CT SRR do ETSI criou quatro grupos de trabalho, conforme mostra a Figura 4 (MUECK, 2009). O WG1 desenvolve as propostas em relação aos aspectos de sistema para garantir coerência entre os diferentes grupos de trabalho da SRR e para evitar sobreposição e lacunas entre atividades correlatas. O WG2 tem como objetivo desenvolver a tecnologia de RDS, voltada para a arquitetura do equipamento de rádio, e propostas de arquitetura de referência para os equipamentos de RC/RDS (telefones celulares, estações-radiobase, etc.) e interfaces relacionadas.

Figura 4 Estrutura SRR do ETSI

O WG3 trabalha com gerenciamento e controle cognitivo. O grupo coleta e define as funcionalidades relacionadas ao gerenciamento do espectro e de recursos de rádio entre tecnologias de acesso heterogêneas para os sistemas de rádio reconfiguráveis. O grupo também está desenvolvendo uma arquitetura funcional de gerenciamento e controle dos sistemas de rádio reconfiguráveis.

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Rádios cognitivos: desafios e tendências

O trabalho do WG4 está voltado para a segurança pública, e envolve a coleta e a definição dos requisitos para o SRR junto a órgãos, governos e indústrias relevantes que têm interesse na segurança pública e em assuntos relacionados à defesa. O grupo também define os aspectos de sistema para as aplicações do SRR para a segurança pública e de defesa. 2

Tecnologias correlatas

2.1 Sensoriamento do espectro Algumas das funções do rádio cognitivo são: varrer periodicamente o espectro, levantar os serviços primários licenciados para a faixa em questão e identificar canais e espaços temporais (white spaces) nos quais não há operação de serviço primário. Esse conjunto de procedimentos é conhecido como sensoriamento do espectro. Canais ou oportunidades de tempo podem ser utilizados pelo rádio cognitivo como usuário secundário, nesse contexto. No entanto, cuidados devem ser tomados para que a transmissão secundária não interfira nos serviços primários ou nos demais serviços secundários que, por acaso, estiverem em operação. Além disso, a transmissão secundária deve ser imediatamente encerrada caso o serviço primário entre no ar. A maior parte do espectro é subutilizada e estudos mostram que a taxa de uso é de menos de 20% (MACKENZIE et al., 2009). Além disso, apenas uma fração do espectro não requer licença para ser utilizada, e está disponível para a evolução de serviços sem fio, como, por exemplo, o altamente popular padrão IEEE 802.11. A FCC já sofre pressão para mudanças no modelo regulatório de licenciamento do espectro. Em 2008, emitiu um memorando (FCC, 2008) que trata da operação oportunista nos canais de radiodifusão de TV, com base no fato de suas características de uso espaço-temporal e de propagação serem relativamente previsíveis. Para proteger os usuários primários dos efeitos de interferência das transmissões dos rádios cognitivos, estes devem identificar de forma confiável as oportunidades existentes em frequência, espaço e tempo. A Tabela 1 lista as características de alguns métodos que podem ser usados na identificação das oportunidades (GHASEMI; SOUSA, 2008). Os métodos são apresentados na primeira coluna e as funcionalidades/características, nas demais colunas. Um “X” significa que o método oferece suporte para determinada funcionalidade. Um “-” significa que o método não oferece suporte ou não se aplica à determinada funcionalidade/característica. O custo (baixo/alto) e a complexidade (baixa/alta) dos modelos

também são analisados. Os dois primeiros métodos delegam aos sistemas primários a função de prover aos usuários secundários a informação atualizada de uso do espectro (como, por exemplo, localização dos transmissores primários, potência e tempo de transmissão), através de registros em um banco de dados centralizado ou da radiodifusão em portadoras-piloto locais. Embora esses métodos permitam o desenvolvimento de receptores secundários simples, eles requerem algumas modificações no sistema primário licenciado, que podem ser incompatíveis com as redes primárias já implantadas. Além do custo potencialmente elevado, tais soluções também necessitam da informação de posicionamento dos demais usuários secundários, bem como de conexão dedicada ao banco de dados ou ao sinal-piloto. O último método, o sensoriamento direto das bandas licenciadas do espectro, baseia-se apenas no próprio sistema secundário para detectar as oportunidades de transmissão. Uma vez detectada uma oportunidade no espectro, o rádio cognitivo poderá ocupá-la imediatamente. Entretanto, ele deve controlar o acesso ao espectro, de modo adaptativo, e mudar de banda ou interromper a transmissão para evitar interferências nos receptores primários ou demais secundários. O receptor que mede o sinal e faz a varredura do espectro é chamado de detector. Basicamente, existem dois tipos de detector: detector de energia (radiômetro) e detector coerente, que pode ser específico para cada tipo de modulação e codificação. Independentemente do tipo de detector utilizado, a busca por oportunidade de transmissão pode ser classificada em dois grupos: sensoriamento reativo e pró-ativo. A busca por oportunidade no sensoriamento reativo ocorre por demanda, isto é, o espectro é analisado somente quando o rádio tem algo a transmitir. Já no sensoriamento pró-ativo a busca é realizada periodicamente. Uma lista de uma ou mais bandas licenciadas que possam permitir o acesso secundário é mantida, de forma a minimizar o atraso gerado pela busca. Esse modo é apropriado para aplicações em que seja preciso manter a QoS. O consumo de energia, contudo, é maior. Recomenda-se que o rádio possa ter autonomia para operar tanto no modo reativo quanto no pró-ativo, de modo a atender aos diversos tipos de aplicação. Existem vários desafios para a correta detecção das transmissões. A seguir, são listadas fontes de incertezas tanto do espectro quanto dos receptores, as quais afetam a sensibilidade da detecção.

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Rádios cognitivos: desafios e tendências

2.1.1

Período do sensoriamento

2.1.5

Enquanto o rádio cognitivo transmite, ele deve periodicamente dividir o tempo de transmissão para monitorar a banda, no caso de o usuário primário entrar no ar. Quanto menor o período, menor o tempo em que o rádio deixa de perceber o reaparecimento do serviço primário. Assim, o período do sensoriamento determina o máximo atraso de acesso e, consequentemente, a degradação da qualidade de serviço. O período vai depender do tipo de serviço primário, e deve ser definido pelo órgão regulador de cada banda. 2.1.2

Sensibilidade da detecção

Existe uma forte dependência entre a sensibilidade da detecção de um rádio cognitivo e a máxima potência de transmissão de banda permitida. Uma rede com mais usuários e maiores potências de transmissão afetaria os sistemas primários mais distantes. Desse modo, um esquema de gerência do espectro deve existir para lidar com a interferência total através de, por exemplo, a limitação da potência transmitida ou a coordenação de transmissões. 2.1.3

Incerteza do canal

Por conta do baixo nível de potência detectada, desvanecimentos e reflexões da transmissão primária podem ser equivocadamente interpretados como uma oportunidade, o que pode levar o rádio cognitivo a transmitir e interferir no sistema primário. Os rádios cognitivos precisam distinguir os sinais primários desvanecidos ou refletidos de uma possível oportunidade. 2.1.4

Incerteza do ruído

A potência do ruído deve ser estimada pelo receptor, e sua precisão é afetada por erros de calibração, variações na temperatura de ruído e imprecisão dos circuitos. Os detectores de energia (amplitude) não conseguem distinguir um sinal primário muito fraco de um ruído se a sua razão sinal-ruído (Signal-to-Noise Ratio – SNR) ficar abaixo do valor definido pelo nível de incerteza de ruído. Detectores de característica, específicos para cada tipo de modulação e codificação, não apresentam esse problema. No entanto, sua implementação é mais complexa.

Incerteza da interferência agregada

Interferência gerada por demais rádios cognitivos que operam na mesma banda. A Tabela 1 mostra um resumo das características de cada método discutidas anteriormente. 2.1.6 Sensoriamento espectro

cooperativo

A detecção do sinal primário no caso de ocorrência de desvanecimento ou sombreamento (shadowing) requer o aumento da sensibilidade do receptor do rádio cognitivo. Manter alta a sensibilidade do receptor, com elevado grau de confiabilidade, pode ser uma tarefa muito difícil nas piores condições de sombreamento ou desvanecimento. No entanto, como os efeitos desses fenômenos variam significativamente em relação à localização do receptor, a incerteza decorrente desses dois fenômenos pode ser mitigada quando diferentes receptores participam da detecção e compartilham seus resultados individuais e, de forma cooperativa, decidem como ocupar o espectro licenciado. O ganho de diversidade obtido pelo sensoriamento cooperativo permite detectar o sinal sem a necessidade de impor uma sensibilidade elevada para cada receptor (GHASEMI; SOUSA, 2005) e usar sistemas de hardware menos complexos e de custo mais baixo. A cooperação, por sua vez, aumenta o número de mensagens de controle na rede – overhead de comunicação. Deve ser eleito um elemento coordenador para processar a decisão sobre a ocupação de uma banda. Esse processamento requer um canal de controle para permitir a difusão da informação entre os rádios cognitivos e o elemento coordenador. 2.2 MIMO cognitivo De acordo com Mackenzie et al. (2009), para a tecnologia de rádios cognitivos, as múltiplas antenas MIMO (Multiple Input – Multiple Output) podem ser utilizadas para melhorar a razão sinalinterferência mais ruído (Signal to Interference plus Noise Ratio – SINR) dos sinais transmitidos, prover diversidade, introduzir uma dimensão de sinalização extra, como, por exemplo, a multiplexidade espacial e diminuição da interferência.

Tabela 1 Métodos de identificação de oportunidades de transmissão Métodos

Banco de dados Sinaispiloto Sens. espectro

Custo infraestrutura

Compart. c/ o sistema implantado

Complexidade do transceptor

Posicionamento

Conexão c/ Internet

Monitoramento contínuo

Padronização do canal

Alto

Baixa

Alto

Baixa

Baixo

Alta

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Rádios cognitivos: desafios e tendências

As antenas MIMO cognitivas podem ser utilizadas, também, em rádios cognitivos para determinar o melhor mapeamento entre um conjunto de parâmetros observáveis e os esquemas de transmissão disponíveis. Os desafios de explorar as múltiplas antenas em sistemas de rádio cognitivo são diversos. Adicionar a dimensão espacial nas técnicas de transmissão disponíveis aumenta o tamanho do já imenso espaço de parâmetros do problema. Ainda, a possibilidade de usar múltiplas antenas para a transmissão de múltiplos sinais também aumenta o número de problemas a serem solucionados (MACKENZIE et al., 2009). Finalmente, o desempenho das várias técnicas MIMO depende fortemente da matriz de canal e da qualidade da informação disponível. Com base nessas informações, derivar uma técnica adaptativa para escolher os melhores esquemas de transmissão torna-se um grande desafio. 2.3 SISO em paralelo A técnica SISO (Single Input – Single Output) em paralelo consiste em utilizar múltiplas antenas em um rádio cognitivo para transmitir fluxos de informação simultaneamente, utilizando diferentes bandas (MACKENZIE et al., 2009). Apesar de esta técnica reduzir a eficiência espectral (quando comparada com a técnica MIMO), ela melhora a SINR, o que a torna candidata para as aplicações com taxa constante de transmissão de dados. Os trabalhos na criação de uma máquina cognitiva complementam-se com o desenvolvimento de algoritmos de sensoriamento de espectro e da criação dos mapas de ambientes de rádio. O desenvolvimento de rádios multimodo, multibandas e configuráveis também deve ser levado em conta. A interação entre os agentes cognitivos também está sendo pesquisada utilizando a teoria dos jogos (MACKENZIE et al., 2009). 3

Plataformas de rádio definido por software

Há um grande número de plataformas de RDS documentadas na literatura que podem ser utilizadas para o desenvolvimento de técnicas de rádio cognitivo (NARLANKA et al., 2007; BAHL et al., 2009). Considerando-se a arquitetura de hardware, a maioria das plataformas utiliza pelo menos uma FPGA ou um DSP no chipset, para solucionar os algoritmos cognitivos de maior complexidade, e um processador de uso geral, para solucionar os algoritmos relacionados à pilha do protocolo do sistema de comunicação e que não são críticos em termos de tempo de processamento. Uma das plataformas mais populares é a USRP2 do projeto GNU Radio (NARLANKA et al., 2007).

Essa plataforma utiliza FPGA Xilinx Spartan e é capaz de suportar larguras de banda de até 25 MHz, sendo que a versão mais recente pode suportar até 100 MHz de largura de banda. Apresenta a vantagem de ser uma plataforma livre para experimentação, mas tem restrições de capacidade de processamento, que limitam o desenvolvimento de padrões de comunicação avançados. Por outro lado, foi lançado para essa plataforma, no início de 2010, um codificador compatível com os padrões de rádio IEEE 802.11a/g/p, que pode viabilizar soluções de rádio cognitivo para redes ad hoc e mesh. Há também plataformas sofisticadas, de custo mais elevado, projetadas especificamente para o desenvolvimento de soluções avançadas de rádio cognitivo (NARLANKA et al., 2007; BAHL et al., 2009). A plataforma de Berkeley (NARLANKA et al., 2007), por exemplo, utiliza cinco FPGAs Virtex2 de alta capacidade e pode conectar até 18 placas de expansão, todas com suporte a larguras de banda de até 25 MHz. Os sensores de radiofrequência apresentam alta sensibilidade e baixa figura de ruído e suportam modos de operação FDD e TDD (Frequency and Time Division Duplex). Há também plataformas, como a KNOWS (Kognitiv Networking Over White Spaces) da Microsoft Research (BAHL et al., 2009), que possibilitam o uso oportunista do espectro a partir do reuso de módulos de rádio padrão. A KNOWS, por exemplo, foi desenvolvida a partir de um cartão de rede Wi-Fi IEEE 802.11g para possibilitar a operação oportunista de redes sem fio na faixa de TV. Essa solução emprega um módulo de rádio reconfigurável para translação da faixa de frequência de operação do Wi-Fi para a faixa de TV UHF. Utiliza também um módulo de RDS desenvolvido a partir da USRP (Universal Software Radio Peripheral) para varrer a faixa de TV. Com base nessa varredura, com o suporte de um MAC (Medium Access Control) inteligente e de um canal de controle comum, essa solução possibilita gerenciar o acesso dos nós da rede pela faixa de TV sem interferir nas emissoras licenciadas na região de operação. 3.1

Plataforma KNOWS

A KNOWS é uma plataforma de hardware e software concebida para detectar e utilizar automaticamente faixas não utilizadas de TV UHF, sem interferir em serviços originalmente licenciados para uma dada região. Essa plataforma inclui um MAC inteligente que percebe o espectro, além de protocolos e algoritmos que permitem lidar com faixas de frequência fragmentadas. A Figura 5 mostra a arquitetura sistêmica da plataforma KNOWS e a Figura 6 mostra a plataforma de hardware. Na camada de rede estão as aplicações responsáveis pelo

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roteamento e pelo tráfego de dados na rede sem fio. A plataforma KNOWS é a responsável por implementar a interface aérea (PHY e MAC) de uma rede Wi-Fi 802.11g sobre a faixa de frequência de TV UHF. Um nó dessa rede é constituído pelo conjunto computador e cartão de acesso, cuja interface pode ser tanto USB quanto Ethernet.

Network Layer (TCP/IP)

Camada MAC

b-SMART CMAC (MAC Cognitiva)

Camada PHY

(Controle de Alocação de Espectro)

Tabela de Alocação de Espectro

Interface Reconfigurável

Rádio Reconfigurável

Scanner de Rádio

KNO W S Fonte: YUAN et al., 2007.

Figura 5 Arquitetura da plataforma KNOWS

A camada física da KNOWS é realizada pelos três módulos funcionais indicados na Figura 5. São eles: Interface Reconfigurável, Rádio Reconfigurável e Scanner de Rádio. Em hardware, esses módulos são implementados nos componentes “Up e Down Converters e cartão 802.11g” e “Scanner UHF”, conforme mostra a Figura 6. O rádio reconfigurável é desenvolvido a partir de um cartão Wi-Fi 802.11g, que gera sinais OFDM em 2,4 GHz. Além disso, é composto também por conversores de frequência para a faixa de UHF, tanto para transmissão (Up Converter) quanto para recepção (Down Converter). Há uma interface reconfigurável que corresponde a um conjunto de registradores no módulo de conversão de frequência e possibilita a configuração automática do modo de operação (frequência de operação, largura de banda e potência) pela MAC Cognitiva (CMAC). Essa interface é representada na arquitetura do sistema pelo módulo Interface Reconfigurável. O scanner é o responsável pela varredura da faixa de 470 a 928 MHz para tomar medidas de potência de sinal a cada 3 kHz. Após a varredura, é disponibilizada para a CMAC uma estimativa do espectro de potência na faixa de

interesse. A varredura é realizada a cada 30 minutos e leva aproximadamente 10 ms para varrer um canal de TV com 6 MHz de largura de banda. O GPS é opcional e incorporado ao sistema para prover informação sobre a região de operação e para sincronização de tempo, uma vez que é utilizado um canal de controle comum. Essa informação de localização pode ser adotada para auxiliar na identificação das emissoras de TV da região. O MAC da plataforma KNOWS suporta um esquema de acesso ao meio diferente dos esquemas implementados em um MAC 802.11 convencional. Ele necessita de funcionalidades adicionais para fazer uso oportunista da faixa de TV. O MAC utiliza um canal de controle comum em uma faixa não licenciada. Isso possibilita que nós vizinhos possam colaborar entre si na melhoria da estimativa de ocupação da faixa de TV UHF e na decisão sobre reservas de recursos de banda para futuras conexões de rádio. Em hardware, o MAC é desenvolvido em um processador embarcado x86, como mostra a Figura 6. As estimativas de ocupação da faixa de TV são armazenadas em uma unidade denominada RAM (Resource Allocation Matrix), que mapeia individualmente os canais de TV disponíveis (valor 1) ou ocupados (valor 0) na faixa de UHF. A atualização da RAM é feita a partir da operação AND entre a informação atual da RAM e as informações coletadas pelo presente nó e pelos nós vizinhos.

Figura 6 Plataforma de hardware

Conclusão Um dos principais estímulos à pesquisa e ao desenvolvimento em rádios cognitivos é a possibilidade do uso inteligente e oportunista de recursos de rádio no tempo, na frequência (espectro) e no espaço (múltiplas antenas). O conceito de cognição é ainda mais abrangente e se estende para ajustar, de maneira automática e inteligente, o comportamento do sistema e da rede, de modo a tirar o melhor proveito dos recursos disponíveis e aperfeiçoar a

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comunicação em prol do usuário. Nesse contexto, este artigo apresentou um levantamento dos principais padrões em desenvolvimento e das tecnologias de camada física que têm o maior potencial de aperfeiçoamento através das técnicas de cognição, tais como: sensoriamento de espectro, MIMO e SISO paralelo. Além do aspecto tecnológico, este artigo também investigou aspectos regulatórios considerados fundamentais para viabilizar o uso de rádios cognitivos. O estudo realizado constatou que há um grande esforço das agências reguladoras em todo o mundo para tornar mais eficiente o uso do espectro. O objetivo das agências é a definição de regras que possibilitem que serviços não licenciados de comunicação possam atuar como serviço secundário em faixas licenciadas, como as de TV. Também foi realizado um levantamento das plataformas de hardware que possibilitam o desenvolvimento das técnicas de rádio cognitivo mais promissoras, como o uso oportunista do espectro. Constatou-se que a plataforma de hardware para o rádio cognitivo é a mesma da já bem estabelecida tecnologia de rádio definido por software. O grande número de plataformas disponíveis permite a escolha da melhor relação entre custo e capacidade de processamento. Além disso, o hardware é tipicamente reconfigurável e de uso geral. Porém, é importante destacar que entre os principais desafios está o desenvolvimento do software a ser executado em tais plataformas, que deve ser inteligente e de complexidade suficientemente baixa para operar em tempo real. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio dado a este trabalho, desenvolvido no âmbito do projeto “Redes de Acesso Sem Fio Avançadas” que contou com recursos do Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações – FUNTTEL, do Ministério das Comunicações, através do Convênio nº 01.09.0631.00 com a Financiadora de Estudos e Projetos – FINEP. Também aos colegas de trabalho, Paulo H. M. Santos, Mônica D. de A. Cachoni e Fabrício L. Figueiredo, que ajudaram na árdua tarefa de revisão. Referências AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Agenda da 12a Plenária do GRR-2.4 (Grupo Relator de Radiocomunicações) da CBC-2 (Comissão Brasileira de Comunicações). Brasília, 20 set. 2010.

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Rádios cognitivos: desafios e tendências

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NARLANKA, S. et al. A Hardware Platform for Utilizing TV Bands With a Wi-Fi Radio. In: WORKSHOP ON LOCAL & METROPOLITAN AREA NETWORKS, 15., 2007, New York. Proceedings... 2007, p. 49-53. SIMONITE, T. Long Range WiFi Edges Nearer With FCC Decision. Technology Review, Sept. 2010. Disponível em: <http://www.technologyreview.com/blog/editors/2 5793/>. Acesso em: 27 set. 2010. YUAN, Y. et al. KNOWS: Kognitiv Networking Over White Spaces. In: IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON NEW FRONTIERS IN DYNAMIC SPECTRUM ACCESS NETWORKS (DySPAN), 2., 2007. Proceedings... 2007.

This paper reviews the challenges and trends, not only about cognitive radio spectrum sensing, but also raises questions related to the network elements cooperation, regulation, standardization and the existent cognitive radio platforms. The research and development initiatives about the subject will be described including the regulation efforts from the USA and Brazil, as well as the standardization issues of IEEE and ESTI (European Telecommunications Standards Institute). Finally, some spectrum sensing strategies, challenges in using multiple antennas and cognitive radio development platform will be examined.

Key words: Cognitive radio. Software-defined radio. IEEE 802.22. Cooperative spectrum sensing.

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Integrando satélite com redes banda larga sem fio terrestres Marcos Guimarães Castello Branco*, Juliano João Bazzo, Ralph Robert Heinrich A comunicação via satélite tem se mostrado a melhor forma de realizar a inclusão digital em áreas remotas e também de prover acesso à Internet e a outros serviços digitais para empresas que realizam negócios em regiões que não são atendidas pela infraestrutura de telecomunicações por cabos e por meios wireless exclusivamente terrestres. Esse é o caso da maioria das cidades do interior dos estados do norte do Brasil, de estações petrolíferas oceânicas e de áreas de mineração. O custo do acesso via satélite é elevado, não só pelo grande investimento necessário para lançar e construir um satélite que precisa ser amortizado, mas também pela infraestrutura terrestre necessária para prover acesso ao usuário final. Dessa forma, este artigo trata dos desafios para o provimento de acesso via satélite às regiões remotas a um menor custo, das questões regulatórias e da proposta de pesquisa para este assunto. Palavras-chave: Redes integradas satélite-terrestre. WiMAX. DVB. Acesso sem fio banda larga (BWA). Introdução A comunicação por satélite tem sido muito utilizada ao longo dos anos, especialmente em enlaces ponto a ponto, para regiões remotas, de baixa densidade populacional e sem a infraestrutura de telecomunicações, e também para atender redes corporativas e de acesso à Internet com pequenas estações VSAT (Very Small Aperture Terminal) (ITU-R, 2010a), distribuídas geograficamente em grandes áreas territoriais dispersas. Um grande passo foi dado nos Estados Unidos, nos últimos anos, com a introdução de satélites com spot beams em banda Ka para baixar os custos do segmento espacial, adicionando-se significativa capacidade (Mbit/s) em relação aos satélites tradicionais. Particularmente, no caso de terminais de acesso banda larga, as soluções via satélite ainda podem ser melhoradas no sentido de aproximar seus custos daqueles dos terminais de acesso sem fio por redes terrestres das tecnologias WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) e Wi-Fi (Wireless Fidelity), por exemplo. Por outro lado, os programas de inclusão digital no Brasil vêm trazendo novas oportunidades para soluções de rede que possam levar capacidade e acesso às mais remotas localidades do País. Nesse contexto, redes via satélite e outros recursos de rede de longa distância são opções para prover acesso a essas localidades. Embora a tecnologia de redes VSAT esteja sendo utilizada, na maioria dos casos, com terminais instalados diretamente na residência dos usuários, em alguns casos, se utiliza a interligação via satélite na forma de backhaul –

por meio da interligação entre o núcleo da rede e as redes periféricas, também conhecidas como redes de última milha. Entretanto, as redes de última milha sem fio terrestres para áreas remotas normalmente não atraem investimentos, uma vez que a demanda de tráfego dos usuários locais por área de cobertura não atende à quantidade mínima necessária para custear toda a infraestrutura de estações-radiobase (ERB) e dos backhaul instalados. Por esse motivo, foram iniciados estudos visando à integração das tecnologias de satélite e de sistemas banda larga sem fio terrestres com o objetivo de tirar o máximo proveito de ambas as tecnologias, reduzir o custo do sistema de acesso local (ERB e terminais) e aumentar a integração com os pontos de distribuição de capacidade (núcleo da rede), por meio da integração de protocolos e funcionalidades entre a ERB e a estação central do segmento satélite (HUB)1. No CPqD, em particular, os estudos se concentram no desenvolvimento de uma plataforma experimental que permita avaliar e validar formas eficientes de promover esse tipo de integração, que futuramente poderão ser implementadas em novos produtos que permitam tirar melhor proveito do elevado custo do MHz no satélite e torná-lo um braço fundamental para levar os sistemas banda larga sem fio a territórios remotos e carentes de infraestrutura. Este artigo apresenta algumas alternativas tecnológicas de integração satélite-terrestre que vêm sendo estudadas e alguns exemplos de movimentos de padronização internacional para as redes híbridas e integradas, especialmente, nos grupos de estudo do Setor de

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: castello@cpqd.com.br. 1

A HUB satélite é o equipamento que está ao lado da unidade geradora da informação, normalmente localizada em grandes centros de operação.

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Integrando satélite com redes banda larga sem fio terrestres

Radiocomunicações da União Internacional de Telecomunicações (International Telecommunication Union Radiocommunication Sector – ITU-R). Esses estudos são objeto de um projeto de pesquisa que visa à criação de uma Plataforma Integrada de Acesso Banda Larga Satélite-Terrestre com o objetivo de propor uma nova tecnologia de acesso banda larga aos usuários mais distantes e residentes em áreas ainda sem infraestrutura de telecomunicações, de forma mais eficiente e barata em relação às soluções em que o enlace via satélite é apenas usado como backhaul. Na Seção 1 serão apresentados alguns cenários e algumas soluções possíveis para a criação de um novo sistema de acesso banda larga satéliteterrestre. Na Seção 2 será apresentado o cenário regulatório do serviço fixo por satélite (Fixed Satellite Service – FSS) no Brasil. Na Seção 3 serão apresentados os cenários para o serviço móvel por satélite (Mobile Satellite Service – MSS). Em seguida, as conclusões. 1

Cenários de soluções

Segundo a União Internacional de Telecomunicações (ITU), as seguintes soluções para o atendimento às áreas remotas foram propostas (ITU-R, 2010b): a) sistema híbrido satélite-terrestre: utiliza componentes de redes satélite e terrestre que, embora estejam interconectados, são gerenciados de forma independente. Nesse modelo, os componentes, tanto em hardware quanto em software, do enlace de satélite e terrestre possuem tecnologias, protocolos e sistemas de gerência completamente diferentes, podendo, inclusive, ser operados por diferentes operadoras; b) sistema integrado móvel e por satélite (MSS): utiliza componentes de redes satélite e terrestre, sendo que o componente terrestre é complementar ao sistema de satélite. Nesse sistema, há um

único sistema de gerência. Vale ressaltar que ambos os componentes, terrestre e de satélite, utilizam a mesma faixa e banda de frequência. A primeira proposta (sistema híbrido satélite-terrestre) corresponde ao modelo de rede mais difundido, em decorrência de sua independência em relação à forma de gerenciamento, aos fabricantes, às faixas de frequência e à tecnologia de rede. A segunda proposta, completamente diferente da primeira, refere-se à integração de um sistema móvel terrestre com um sistema de satélite – somente um sistema de gerência controla o conjunto de tecnologias. Uma nova proposta de pesquisa é a criação de uma solução mais integrada entre o sistema de satélite e a tecnologia WiMAX para o acesso de última milha, conforme Figura 1. A principal diferença em relação ao sistema integrado (segunda proposta) é que serão buscadas formas de transferir parte dos módulos, de hardware e de software, da estação-radiobase para a HUB, visando reduzir o custo do acesso remoto sem reduzir a qualidade do serviço aos usuários. A pesquisa para o desenvolvimento dessa nova solução inicia-se com a identificação de rotinas e protocolos que são utilizados na camada física e de enlace do WiMAX para verificar a viabilidade de serem transferidos da estação-radiobase (ERB) para a estação central (HUB). Em um resultado ideal, espera-se que na estação-radiobase restem somente: a) elementos de radiofrequência (amplificadores, filtros, antenas, etc.) e b) um sistema de software embarcado para realizar o processamento do quadro do padrão de satélite, por exemplo, o padrão DVB-S/RCS (Direct Video Broadcast via Satellite/Return Channel via Satellite), extração do quadro WiMAX e mapeamento dos dados nas portadoras de frequência selecionadas.

Figura 1 Cenário 1 – O usuário remoto é atendido por uma ERB que trata do quadro integrado WiMAX e DVB-S/RCS

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Integrando satélite com redes banda larga sem fio terrestres

Os algoritmos de escalonamento, ARQ (Automatic Repeat-reQuest) e HARQ (Hybrid ARQ), por exemplo, seriam executados na estação central. É fácil prever que a transferência de funcionalidades entre as duas pontas do sistema não será uma tarefa simples, uma vez que o enlace de satélites apresenta diversas peculiaridades, como, por exemplo, o atraso. Na Figura 2, outro cenário de pesquisa ainda mais desafiador propõe o acesso realizado diretamente do ponto de acesso do usuário final, sugerindo a possibilidade de a estação de usuário apresentar um custo tão reduzido a ponto de tornar esse cenário viável. Para esse cenário, o terminal do usuário, apesar de empregar a tecnologia WiMAX, deverá possuir capacidade de operar com baixos níveis de sinal provenientes do satélite e, para tanto, utilizar uma antena direcional de alto ganho semelhante às utilizadas pelas estações terrenas de redes satélite convencionais. Esse cenário somente será viável economicamente se a integração da tecnologia WiMAX no segmento satélite levar a uma solução de mais baixo custo que uma rede satélite convencional com capacidade de tráfego equivalente. 2

Cenário regulatório do serviço fixo por satélite

O serviço fixo por satélite (FSS) é regido internacionalmente pela ITU, responsável pelo estabelecimento das regras de utilização do espectro de frequências e pela coordenação espacial dos satélites em suas respectivas órbitas e posições orbitais, por meio do

Regulamento de Radiocomunicações (ITU-R, 2008). Uma vez que os dois cenários, objetos de pesquisa descritos anteriormente, consideram o usuário final fixo, neste artigo serão consideradas, inicialmente, as regras do FSS estabelecidas pela ITU-R. 2.1 Atribuições de faixas de frequência para o serviço fixo por satélite As faixas de frequência para o FSS são atribuídas internacionalmente pelas Conferências Mundiais de Radiocomunicações (World Radiocommunication Conferences – WRCs) da ITU-R, assim como as demais faixas de frequência para todos os outros serviços que empregam radiofrequência. A partir de cada uma dessas WRCs, é reeditado o Regulamento de Radiocomunicações (RR) da ITU, que possui força de tratado internacional e contém todas as normas que regem o uso do espectro radioelétrico mundial. A última edição do RR da ITU data de 2008, logo após a WRC 07. A próxima edição será gerada após a próxima conferência mundial, prevista para 2012 (WRC 12). Paralelamente, no Brasil, a Anatel reproduz as atribuições estabelecidas pela ITU para os países da Região 2 (Américas) e realiza algumas adequações específicas sem contrariar as principais bases da atribuição internacional do RR para essa região. Por meio de um sistema interativo disponível na página da Anatel (ANATEL, 2010a), é possível verificar todas as faixas de frequência atribuídas para uso do FSS no Brasil. As principais delas estão relacionadas na Tabela 1.

Figura 2 Cenário 2 – Arquitetura sem a ERB (usuário remoto recebe e transmite o sinal diretamente de/para o satélite)

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Tabela 1 Principais faixas de frequência atribuídas ao FSS no Brasil Faixas para o FSS

Nomenclatura

Sentido do enlace

Características

3400 a 3625 MHz

Banda C

Descida (Espaço/Terra)

Tem caráter secundário no Brasil, uma vez que compartilha espectro com o WiMAX.

3625 a 3700 MHz

Banda C

Descida (Espaço/Terra)

Tem caráter primário no Brasil e é bastante empregada em redes VSAT, especialmente por se tratar do pedaço de faixa em que não há atribuição para o serviço fixo terrestre por enlaces ponto a ponto (P-P).

3700 a 4200 MHz

Banda C

Descida (Espaço/Terra)

Tem caráter primário no Brasil e é bastante empregada em redes VSAT.

4500 a 4800 MHz

Banda C

Descida (Espaço/Terra)

Tem caráter primário no Brasil, porém é menos utilizada que a faixa entre 3625 a 4200 MHz.

5150 a 5250 MHz

Banda C

Subida (Terra/Espaço)

Tem caráter primário no Brasil, porém é mais utilizada para enlaces de alimentação dos sistemas do serviço móvel por satélite (MSS).

5850 a 5925 MHz

Banda C

Subida (Terra/Espaço)

Tem caráter primário no Brasil e faz paridade com o segmento entre 3625 a 3700 MHz na descida.

5925 a 6425 MHz

Banda C

Subida (Terra/Espaço)

Tem caráter primário no Brasil e faz paridade com o segmento entre 3700 a 4200 MHz na descida.

6425 a 6430 MHz

Banda C

Subida (Terra/Espaço)

Tem caráter primário no Brasil, porém ainda não está regulamentada.

6430 a 7075 MHz

Banda C

Subida (Terra/Espaço)

Tem caráter primário no Brasil, englobando algumas regulamentações específicas de serviços. Porém, é menos utilizada que a faixa entre 5850 e 6425 MHz.

7300 a 7425 MHz

Banda C

Descida (Espaço/Terra)

Tem caráter primário no Brasil, porém está parcialmente regulamentada e destinada a serviços, como: Auxiliar de Radiodifusão e Correlatos (SARC) e Repetição de Televisão (RpTV).

7425 a 7750 MHz

Banda C

Descida (Espaço/Terra)

Tem caráter primário no Brasil, porém é menos utilizada que a faixa entre 3625 e 4200 MHz. É também compartilhada com o serviço fixo-terrestre.

7900 a 7975 MHz

Banda C

Subida (Terra/Espaço)

Tem caráter primário no Brasil, porém é menos utilizada que a faixa entre 5850 e 6425 MHz.

7975 a 8025 MHz

Subida (Terra/Espaço)

Tem caráter primário no Brasil, porém ainda não está regulamentada.

8025 a 8175 MHz

Subida (Terra/Espaço)

Tem caráter primário no Brasil, porém é mais voltada para uso militar.

8175 a 8400 MHz

Subida (Terra/Espaço)

Tem caráter primário no Brasil, porém é mais voltada para uso militar.

10700 a 11700 MHz

Descida (Espaço/Terra)

Tem caráter primário no Brasil e está sujeita às regras de coordenação pela Res. 288/2002 (ANATEL, 2002).

11700 a 12200 MHz

Descida (Espaço/Terra)

Tem caráter primário no Brasil e está sujeita às regras de coordenação pela Res. 288/2002 (ANATEL, 2002).

12750 a 13250 MHz

Subida (Terra/Espaço)

Tem caráter primário no Brasil, porém é destinada ao Serviço Auxiliar de Radiodifusão (SARC).

13750 a 14000 MHz

Subida (Terra/Espaço)

Tem caráter primário no Brasil, compartilhando com sistemas de radiolocalização.

14000 a 14500 MHz

Subida (Terra/Espaço)

Tem caráter primário no Brasil.

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Além dessas faixas, frequências na banda Ka (20/30 GHz) são destinadas ao FSS, porém com menor utilização no Brasil, em decorrência dos fortes efeitos de atenuação dos sinais causados pelas chuvas – efeitos esses que já não são desprezíveis em frequências bem mais baixas na banda Ku. Tais limitações vêm sendo, entretanto, reavaliadas por meio de novas tecnologias de modulação e codificação (ex.: DVB-S2), seja pelo uso de feixes direcionais de alto ganho (spot beams) ou pelo uso de satélites de média ou baixa órbita que permitem maiores níveis de potência de sinal na superfície da Terra, além de menores atrasos de propagação. O site da Anatel também disponibiliza a relação dos satélites autorizados a operar no Brasil com suas respectivas faixas de operação e posições orbitais (ANATEL, 2010b). 2.2 Aspectos de compartilhamento com outros serviços A escolha das faixas de operação para o projeto de uma rede satélite-terrestre passa pela análise do compartilhamento de frequências com outros serviços que podem ser afetados pelos seguintes fatores: a) classificação dos serviços como primário ou secundário: quando o serviço FSS estiver compartilhando frequências com outro serviço primário, ele deverá oferecer proteção e respeitar rigorosamente as regras de potência e canalização, bem como os limites de espúrios e harmônicos. Quando o compartilhamento ocorrer com um serviço secundário, não é necessário oferecer proteção, porém é importante certificar-se de que o serviço secundário não está provocando interferência no primário, sendo que, caso essa interferência ocorra, deve-se reivindicar ações punitivas por parte da Anatel; b) capacidade de discriminação por antenas direcionais: no caso particular do compartilhamento de sistemas FSS com sistemas SF (Serviço Fixo Terrestre), por exemplo, um recurso muito comum é empregar discriminação por antenas direcionais, evitando-se assim os azimutes das rotas do SF em relação ao enlace do FSS. Dessa forma, é possível atender a requisitos de emissões máximas de radiação fora do eixo da antena, facilitando a coordenação com outros satélites na órbita ou outros serviços (ITU-R, 2006; 2009). Este recurso deixa de ser simples no caso de sistemas SF não direcionais (ex.: antenas setoriais ou omnidirecionais), como é o caso das ERBs do WiMAX. c) as formas de compartilhamento de frequências do FSS com os sistemas de

acesso sem fio banda larga (BWA) – como o WiMAX, que vem sendo utilizado na banda C – tornaram-se tema de estudo da ITU, uma vez que a faixa é a mesma utilizada por satélites ou muito próxima (ITU-R, 2009). Uma solução integrada satélite-terrestre na banda C poderá trazer uma solução técnica mais adequada à convivência das tecnologias WiMAX e satélite neste mesmo segmento do espectro. 2.3 Limites de potência e aspectos de coordenação Outro aspecto importante do FSS é que, em decorrência do alto grau de congestionamento orbital no arco de satélites geoestacionários, algumas condições são impostas às redes que operam com esses satélites, envolvendo limites de emissão de potência isotrópica efetivamente radiada (Effective Isotropic Radiated Power – EIRP) e regras de coordenação espacial e terrestre. As regras de coordenação entre redes satélites que operam em faixas compartilhadas, especialmente sobre os mesmos territórios, são estabelecidas pelo Regulamento de Radiocomunicações da ITU e aplicadas através de acordos bilaterais entre as administrações detentoras de cada um dos satélites envolvidos. A Gerência Geral de Satélites da Anatel é a mediadora das reuniões de coordenação bilateral entre os operadores de satélite no Brasil. 3

Alternativas para o serviço móvel por satélite (MSS)

Apesar de que a solução técnica mais viável, em termos de banda, seja utilizar a arquitetura do FSS, a integração satélite-terrestre também pode ser realizada com a arquitetura do MSS. Nesse contexto, o terminal do usuário pode ser portátil e operar diretamente com o satélite, em vez de uma estação-radiobase WiMAX. No entanto, o sistema precisa ser autorizado a operar nas faixas designadas ao MSS e não ao FSS. As regras de operação do MSS são também estabelecidas pela ITU-R e regulamentadas pelo Regulamento de Radiocomunicações. 3.1 Integração do satélite com sistemas de radiodifusão móvel Uma das soluções que estão sendo implantadas em alguns países é a tecnologia que permite a recepção de sinais de TV em terminais móveis. O sinal pode ser recebido de estações repetidoras terrestres ou diretamente de satélites. A Figura 3 ilustra esse cenário. Esta solução foi padronizada como DVB-SH (Direct Video Broadcast – Satellite Handset) (DVB,

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2009). Nessa arquitetura, o satélite não só provê o sinal de TV diretamente ao terminal móvel, como também provê sinal às estações repetidoras terrestres, denominadas gap fillers, que permitem cobrir as deficiências do sinal originado no satélite. Nesse tipo de solução, o emprego de sinais OFDM pelo satélite e pelo sistema terrestre é facilitado pela característica unidirecional da aplicação de radiodifusão. No caso de sistemas unidirecionais de broadcast, o compartilhamento de uma mesma portadora OFDM por TDM e da informação comum nela contida por um grande número de usuários torna mais simples e eficiente a integração. Esse tipo de aplicação tem, certamente, foco distinto do que se procura alcançar com a integração de sistemas satélite com sistemas terrestres de acesso banda larga bidirecionais. Na integração com sistemas de acesso terrestres bidirecionais, o emprego dos sinais OFDM ainda está sendo estudado (WIEGANDT; NASSAR; WU, 2001), uma vez que o canal de retorno contém informações distintas provenientes de cada usuário e o compartilhamento de portadoras no satélite é tratado por técnicas de múltiplo acesso nem sempre tão eficientes em termos de faixa e de potência. No entanto, os benefícios potenciais desse tipo de integração bidirecional incluem o ganho de escala para os sistemas OFDM mesmo em áreas remotas, uma vez que essa tecnologia já é parte das soluções adotadas mundialmente para os sistemas celulares de quarta geração (4G). 3.2 Principais desafios tecnológicos da integração Entre os principais desafios desse tipo de

integração de sistemas satélite e terrestre, podese citar as preocupações em contornar os efeitos de atraso e não linearidades do satélite que poderão impactar o desempenho do sistema para algumas aplicações. Este último aspecto impacta especialmente o emprego de sistemas multiportadoras, como o OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), empregado nos sistemas terrestres sem fio mais modernos, a exemplo do WiMAX e do LTE (Long Term Evolution). Algumas técnicas já vêm sendo estudadas para compensar os efeitos de não linearidades no transponder satélite, como o CI-OFDM (Carrier Interferometry-OFDM) (WIEGANDT; NASSAR; WU, 2001), que se baseia em um processo de espalhamento do sinal reduzindo-se a relação pico-média de potência (Peak-to-Average Power Ratio – PAPR) do sinal OFDM e minimizando-se os efeitos degradantes da não linearidade (em decorrência do reduzido backoff) do amplificador de potência do satélite. Conclusão A integração eficiente de redes satélite e redes terrestres sem fio de última milha necessita de soluções de baixo custo para levar o acesso banda larga a regiões remotas e carentes do Brasil. Este artigo apresentou algumas tendências para solucionar o problema do acesso remoto de baixo custo através da integração de sistemas de acesso sem fio terrestre com sistemas satélite. As soluções existentes para prover acesso aos serviços de dados e TV aos usuários fixos e móveis bem como os aspectos de regulamentação foram abordados.

Figura 3 Arquitetura do DVB-SH

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Agradecimentos Os autores agradecem o apoio dado a este trabalho, desenvolvido no âmbito do projeto “Redes de Acesso Sem Fio Avançadas” que contou com recursos do Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações – FUNTTEL, do Ministério das Comunicações, através do Convênio nº 01.09.0631.00 com a Financiadora de Estudos e Projetos – FINEP. Referências AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Resolução no 288: Norma das Condições de Operação de Satélites Geoestacionários em Banda Ku com Cobertura sobre o Território Brasileiro. 2002. Disponível em: <http://www.anatel.gov.br/Portal/verificaDocumen tos/documento.asp? numeroPublicacao=34359&assuntoPublicacao=R esolu%E7%E3o%20n. %B0%20288&caminhoRel=null&filtro=1&docume ntoPath=biblioteca/resolucao/2002/res_288_2002 .pdf>. Acesso em: dez. 2010. ______. Base de dados do Plano de Atribuição, Destinação e Distribuição de Faixas de Frequência no Brasil. Atualizada em: 2010a. Disponível em: <http://sistemas.anatel.gov.br/pdff/Consulta/Pesq uisa.Asp>. Acesso em: dez. 2010. (Sistemas interativos de consulta). ______. Relação dos satélites autorizados a operar no Brasil. Atualizada em: 2010b. Disponível em: <http://www.anatel.gov.br/Portal/exibirPortalPagin aEspecial.do? acao=&codItemCanal=1162&codigoVisao=5&no meVisao=Empresas&nomeCanal=Sat %C3%A9lite&nomeItemCanal=Sat%C3%A9lites %20autorizados>. Acesso em: jun. 2010. (Sistemas interativos de consulta). DVB. Satellite services to handhelds: Mobile TV over advanced hybrid satellite terrestrial Abstract

networks. DVB Fact Sheet. Apr., 2009. Disponível em: <http://www.dvb-h.org/PDF/dvbsh-fact-sheet.0409.pdf>. Acesso em: dez. 2010. ITU RADIOCOMMUNICATION SECTOR (ITUR). S.524: Maximum permissible levels of off-axis e.i.r.p. density from earth stations in geostationary-satellite orbit networks operating in the fixed-satellite service transmitting in the 6 GHz, 13 GHz, 14 GHz and 30 GHz frequency bands. Switzerland, 2006. Disponível em: <http://www.itu.int/en/publications/Pages/default.a spx>. Acesso em: dez. 2010. ______. Radio Regulations. Geneva: ITU, 2008. Disponível em: <http://www.itu.int/publ/R-REGRR/en>. Acesso em: jan. 2011. ______. ITU-R WP4A – Contribution 241: Draft new report ITU-R S.[BWA-FSS] - Studies on compatibility of broadband wireless access (BWA) systems and fixed-satellite service (FSS) networks in the 3 400-4 200 MHz band, Doc. 4A/TEMP/BWArep. USA, 2009. Disponível em: <http://www.itu.int/md/R07-WP4A-C-0241/en>. Acesso em: dez. 2010. ______. ITU-R WP4A – Contribution 436: Working document towards a preliminary draft revision of Recommendation ITU-R S.725 Technical characteristics for very small aperture terminals (VSATs), Doc 4A/ 436. Brazil, Mar. 2010a. Disponível em: <http://www.itu.int/md/R07-WP4A-C-0436/en>. Acesso em: dez. 2010. ______. ITU-R WP4B Contribution 131: Liason Statement to Study Group 6 (copy to Working Party 4B) – PROPOSED DEFINITIONS FOR “INTEGRATED MSS SYSTEM” AND “HYBRID SATELLITE/TERRESTRIAL SYSTEM”. Doc.4B/31. Chairman CCV, 13 May 2010b. Disponível em: <http://www.itu.int/md/R07WP4B-C-0131/en>. Acesso em: dez. 2010. WIEGANDT, D. A.; NASSAR, C. R.; WU, Z. Overcoming peak-to-average power ratio issues in OFDM via carrier-interferometry codes. In: IEEE VEHICULAR TECHNOLOGY CONFERENCE, 54., 2001, Atlantic City, NJ, USA. Proceedings... p. 660-663, v. 2.

Satellite communication is one of the most important tools for digital inclusion in remote areas as well as to provide Internet access and other digital services for corporations and business offices located far away from broadband terrestrial telecommunication infrastructures. This is the case of the majority of small cities in the North of Brazil, in offshore platforms and in mineral extraction areas. The satellite access cost is still high not only due to the space segment construction and launching investments but also due to the last mile terrestrial segment cost. This paper deals with the challenges to reach a lower cost satellite access for remote regions presenting the regulatory aspects and the proposed research topics for this subject. Key words: Satellite-Terrestrial Integration. DVB. WiMAX. BWA.

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Redes de sensores ZigBee: visão geral da tecnologia e análise de consumo dos nós Fabrício Poloni dos Santos* Este trabalho apresenta uma revisão sobre o padrão ZigBee, que atualmente tem sido bastante procurado e explorado. O artigo inclui a apresentação de alguns pontos importantes que o padrão oferece e também um comparativo entre os protocolos de roteamento sob demanda e hierárquico. Outro objetivo do presente trabalho é verificar o desempenho de ambos os protocolos em relação ao consumo de energia, uma vez que tal requisito constitui um dos pontos mais importantes para o bom desempenho de uma rede de sensores. Palavras-chave: ZigBee. Malha. Árvore. Estrela. Introdução O padrão ZigBee (ERGEN, 2004) é um conjunto de especificações definidas para uma rede WPAN (Wireless Personal Area Network) usada principalmente na criação de redes de sensores. Sua principal função é criar, a um baixo custo, redes que operem a uma baixa taxa de transmissão de dados (de 20 a 250 kbit/s) e apresentem baixo consumo de energia, o que prolonga o tempo de vida das baterias. O desenvolvimento da camada de acesso e da camada física foi baseado no padrão IEEE 802.15.4 (IEEE, 2006), o que possibilitou a obtenção de todas as características e vantagens que o padrão oferece. Com base no exposto, este artigo tem como objetivo mostrar as principais características relacionadas ao padrão ZigBee, a saber: a flexibilidade da rede e a auto-organização da rede ad hoc, bem como o baixíssimo custo, a portabilidade e a mobilidade possibilitadas pelos dispositivos. Ao final, o artigo apresenta um estudo de caso de consumo de energia na atividade dos protocolos de roteamento definidos no padrão em diferentes topologias de rede. Os valores e conclusões obtidos foram baseados em kits de desenvolvimento ZigBee, na frequência de 2.4 GHz. 1

Arquitetura

A arquitetura ZigBee (ZIGBEE ALLIANCE, 2007) foi desenvolvida em camadas definidas pela norma IEEE 802.15.4 e pela ZigBee Alliance. Essas camadas foram construídas para prover as especificações necessárias à garantia do funcionamento e da interoperabilidade entre redes ZigBee, estabelecendo a conectividade entre os dispositivos da rede e conferindo integridade, confidencialidade e autenticidade ao tráfego de pacote de dados. Conforme a Figura 1, a camada física PHY, que provê o meio de transmissão dos dados, foi especificada para três faixas de frequência ISM

(Industrial, Scientific and Medical) distintas: 868 MHz (Europa), 915 MHz (EUA) e 2.4 GHz (global). Application user Application Framework

ZDO (ZigBee Device Object)

APS Security

(Application Support)

ZDO

NWK

Management Plane

(Network)

MAC (Media Access Control)

PHY 868 Mhz / 900 MHz / 2.4 GHz IEEE 802.15.4

ZigBee Alliance

APP user

Figura 1 Arquitetura ZigBee

A camada de acesso MAC (Media Access Control) tem o intuito de prover uma comunicação confiável entre os nós e seus vizinhos diretos, por meio da utilização do mecanismo CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) (IEEE, 2006). Essa camada evita que ocorram colisões de pacotes, melhorando a eficiência na entrega de pacotes de dados. A camada de controle da rede NWK (Network) contém diversas funcionalidades, entre elas: iniciação da rede ZigBee, disponibilização de endereços de rede, inclusão ou remoção de dispositivos e roteamento e entrega de pacotes de dados entre os dispositivos da rede. Adicionalmente, a camada NWK inclui a descoberta e a manutenção de rotas entre todos os dispositivos envolvidos na rede. A camada de aplicação é constituída pelas subcamadas APS (Application Support), ZDO (ZigBee Device Object), pelos objetos de aplicação definidos pelo fabricante (Framework)

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: fpsantos@cpqd.com.br. Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n.1, p. 43-50, jul. 2010/jun. 2011

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e, finalmente, pela aplicação do usuário. A subcamada APS define as interfaces e o controle de serviços baseando-se nas informações da camada NWK, de modo a poder atender os dispositivos ZigBee e a aplicação do usuário. Já a subcamada ZDO tem a função de estabelecer a comunicação entre a subcamada APS e a camada NWK. Além disso, ela define regras para os dispositivos ZigBee na rede, iniciando ou respondendo às requisições de binding para estabelecer uma conexão segura (FARAHANI, 2008). Além dessas funções, a subcamada ZDO tem a responsabilidade de determinar os tipos de serviço, facilitando a entrada de novos dispositivos (que podem ser definidos como coordenadores, roteadores ou apenas dispositivos finais) em uma rede já iniciada. A camada de segurança, por sua vez, é utilizada pela camada NWK e pela subcamada APS, e fornece o mecanismo de criptografia AES (Advance Encryption Standard) de 128 bits, garantindo a confidencialidade, a integridade e a autenticidade dos dados. Finalmente, a subcamada Framework provê a descrição da forma como construir um perfil de rede especificando uma gama de tipos de dados para os padrões de perfis a serem criados pela aplicação do usuário. 2

Elementos da rede ZigBee

O sistema ZigBee consiste basicamente em dois componentes: FFD (Full Function Device) e RFD (Reduced Function Device). A rede ZigBee deve ter pelo menos um FFD coordenador. O FFD pode operar em três modos: coordenador, roteador ou simples dispositivo final. O RFD se destina a redes extremamente simples e sem necessidade de grandes fluxos de dados.

utiliza para determinar a melhor rota para o tráfego de um pacote de dados. Esse dispositivo verifica constantemente a conectividade com os seus nós vizinhos, mantendo a tabela de rotas sempre atualizada. 2.3 Dispositivo final (RFD) Um dispositivo final ou ZED (ZigBee End Device) é classificado como um RFD e deve sempre interagir com o nó pai (ou um roteador ou um coordenador) na rede para receber ou transmitir dados. Esse dispositivo pode ser a origem ou o destino dos dados; porém, não possui capacidade para realizar o redirecionamento de informações. 3

Topologias conhecidas para uma rede ZigBee

O padrão ZigBee foi definido para suportar três tipos de topologia: estrela, árvore e malha. 3.1 Estrela (star) Em uma topologia estrela, a comunicação é estabelecida entre os nós através de um único controlador central, chamado de coordenador WPAN. Sendo assim, todas as informações devem necessariamente passar por esse nó. Aplicações que se beneficiam com a utilização dessa topologia incluem automação residencial, periféricos de computadores pessoais, brinquedos e jogos. Pode-se observar na Figura 2 a topologia estrela.

2.1 Coordenador (FFD) Também chamado de ZC (ZigBee Coordinator), este tipo de dispositivo é o único FFD responsável pela formação de uma rede ZigBee. Por essa razão, é um elemento obrigatório e funciona como o gateway da rede. O coordenador estabelece um canal de operação e o número lógico para a identificação do novo nó inserido para formação da rede. Uma vez estabelecidos esses parâmetros, o coordenador pode formar uma rede permitindo que roteadores e dispositivos finais se integrem a ela. Após a formação da rede, o coordenador funciona como um roteador, podendo participar no redirecionamento de pacotes de dados e ser uma origem ou destino de pacotes de dados. 2.2 Roteador (FFD) O roteador ou ZR (ZigBee Router) é um nó FFD que cria e mantém as informações da rede e as

Figura 2 Topologia estrela

3.2 Malha (mesh) Conhecida também como peer-to-peer, esta topologia inclui um coordenador WPAN. Diferente da topologia estrela, a topologia malha permite que qualquer dispositivo se comunique com qualquer outro dispositivo, desde que todos estejam sincronizados. Além disso, essa topologia pode ser comparada a uma rede ad hoc, pois apresenta condições de auto-organização e adaptabilidade. Aplicações como monitoramento e controle industrial, redes de sensores sem fio, controle de ativos e inventário se beneficiariam dessa topologia. Essa topologia permite múltiplos saltos e múltiplas rotas para determinado destino entre dispositivos FFD.

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Pode-se observar na Figura 3 a topologia malha.

Figura 3 Topologia malha

coordenador, há um conjunto de parâmetros que incluem definições da profundidade máxima da rede, número máximo de filhos entre roteadores e dispositivos finais que podem estar em um roteador principal (pai). A partir do cálculo da profundidade de uma rede, é possível determinar o número de saltos existentes entre o coordenador da rede e qualquer outro dispositivo existente na rede. Um exemplo pode ser observado na Figura 5.

3.3 Árvore (tree) A topologia espacial de uma rede peer-to-peer permite que qualquer um dos FFD assuma a função de coordenador e preste serviços de sincronização para outros dispositivos e coordenadores. Apenas um desses coordenadores será o coordenador WPAN. Cada grupo de coordenadores, roteadores e dispositivos finais é denominado cluster. Esses grupos somente podem se interligar por intermédio dos coordenadores. É a união desses diversos clusters que constitui a topologia árvore. Pode-se observar na Figura 4 a topologia árvore.

Figura 5 Árvore lógica de uma rede ZigBee

Esses atributos podem ser utilizados para determinar o lugar de um dispositivo na árvore. A atribuição de endereços é feita da seguinte maneira: • Atribuição de endereço ao roteador filho:

Aparent n−1 x Cskipd 1 •

Atribuição de endereço ao dispositivo final filho:

Aparent Rm x Cskip d n Figura 4 Topologia árvore

Inicialização da rede

A inicialização de uma rede ZigBee está diretamente relacionada a uma primitiva dentro da camada NWK e restrita ao coordenador. O coordenador procura, em um conjunto de canais de comunicação, aqueles que não estão sendo utilizados ou estão menos ocupados. Após esse processo, os canais são ordenados de forma decrescente considerando-se os valores obtidos nos níveis de energia, sendo descartados os canais com níveis mais baixos. Em seguida, o coordenador busca, entre os canais escolhidos, por dispositivos ou redes ZigBee. Com base no resultado gerado, o coordenador escolhe o melhor canal, sendo este preferencialmente um canal que não esteja sendo utilizado na criação da nova rede. O coordenador gera, então, um identificador lógico a ser utilizado pelos novos nós que ingressarem na rede. 5

Atribuição de endereços

Em redes ZigBee, os endereços são atribuídos pelo coordenador ou roteador existente na rede, sendo que essa atribuição é baseada em um algoritmo de árvore estruturada. No dispositivo

onde: d = profundidade Aparent = nó vizinho Rm = número de roteadores filhos n = número do nó 6

Roteamento

Na tecnologia ZigBee, os terminais FFD (coordenadores ou roteadores) são responsáveis pela descoberta e pela manutenção das rotas na rede. Cada conexão entre dois terminais é chamada de enlace, sendo a rota composta por um ou mais enlaces. Parâmetros como qualidade do enlace, número de saltos e conservação de energia podem ser usados para decidir o caminho ótimo para cada cenário de roteamento. Assim, cada enlace está associado a um custo, que determina a probabilidade de sucesso na entrega do pacote. Entre as várias rotas que garantem a comunicação entre dois nós, a função de roteamento escolhe aquela que apresenta o menor custo total (soma dos custos dos enlaces). Por padrão, existem dois tipos de roteamento (ERGEN, 2004): roteamento hierárquico e roteamento sob demanda (Ad hoc On-demand Distance Vector – AODV). Pode-se observar na

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Figura 6 as camadas envolvidas na transmissão de pacotes de dados da origem ao destino, passando pelo roteador da rede.

Figura 6 Comunicação entre as camadas dos dispositivos

AODV (FARAHANI, 2008) é um protocolo otimizado para ocupar menos recursos referentes a processamento e espaço de memória. Esse protocolo monta a rota entre origem e destino somente quando há a necessidade de transmissão. Projetado para maximizar a eficiência e a escalabilidade, o protocolo reduz a disseminação de tráfego de controle e minimiza o overhead no tráfego de dados. O roteador ou coordenador é responsável pelo encaminhamento dos pacotes entre um nó origem e um nó destino. Esses dispositivos mantêm duas tabelas com dados que auxiliam o roteamento: uma tabela de descoberta de rota e uma tabela de rota. A tabela de rota, atualizada periodicamente, contém todos os endereços dos nós que levam o pacote de dados de sua origem até o seu destino. Já a tabela de descoberta de rota contém todos os endereços de novos dispositivos para novas rotas. Durante o processo de descoberta de rotas, quando não há registros de determinado destino, o nó (roteador ou coordenador) envia o comando de descoberta de rota em broadcast, verificando assim o enlace com seus vizinhos, e os endereços são armazenados na tabela. Uma rota conhecida também pode sofrer alterações caso ocorra alguma desconexão entre os nós dessa rota. Pode-se observar na Figura 7 o algoritmo AODV.

Figura 7 Algoritmo de roteamento AODV

Consumo de fontes de energia (baterias)

Uma das características mais relevantes do

padrão ZigBee é o fato de os nós da rede possuírem capacidade para serem alimentados pela mesma bateria durante anos, o que ocorre porque nós do tipo RFD podem dormir (modo sleep). Já nós do tipo FFD, que funcionam como coordenadores da rede ou roteadores, não podem dormir, uma vez que devem estar sempre preparados para rotear rapidamente uma mensagem até o destino. Por essa razão, geralmente os nós RFD são alimentados por baterias enquanto os nós FFD são alimentados por uma rede de energia. Considerando tais fatores, a ZigBee Alliance estuda maneiras de possibilitar que uma rede seja completamente alimentada por baterias, de forma que os elementos roteadores ou coordenadores possam dormir. 8

Protocolo de roteamento e consumo

Em uma rede de sensores, é estritamente necessária a otimização da utilização de baterias. Considerando-se redes de sensores densas, é possível estimar o tempo de vida útil de uma bateria com base em alguns fatores. São eles: o tamanho dos pacotes de dados que trafegam na rede; a quantidade de saltos necessária para que o pacote de dados seja entregue ao seu destino; e o ambiente físico onde se encontra a rede, pois um dos pontos que o protocolo de roteamento considera para a formação da rota é o custo do enlace. Esse custo está relacionado ao nível do sinal entre os nós, podendo variar de acordo com ruídos, barreiras ou a distância entre cada nó. A Tabela 1 apresenta um caso de uso simples, considerando um nó RFD que acorda a cada hora, recolhe e envia as informações para um roteador ou coordenador e volta a dormir. Caso não receba um pacote de confirmação de recebimento ACK (acknowledge), o nó deve repetir as etapas de 4 a 6 por um número de vezes predeterminado. Nesse caso, a capacidade da bateria pode ser calculada multiplicando-se o tempo de duração de cada etapa por seu respectivo consumo de corrente. Com base na capacidade da bateria, é possível determinar a bateria específica para essa aplicação. Por exemplo: se a bateria tem uma capacidade nominal de 300 mAh com eficiência de 60%, a capacidade real da bateria é de 180 mAh. Um ponto que deve ser levado em consideração é o fato de que o modo de operação do módulo ZigBee depende da periodicidade do tráfego de informações entre as etapas descritas na Tabela 1, as quais dependem da aplicação. É interessante observar que uma porcentagem maior de energia é gasta no modo sleep, visto que a aplicação passa mais tempo dormindo do que acordada.

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Tabela 1 Caso de uso simples para um módulo ZigBee RFD Atividade

Dispositivo sai modo sleep

Transição para modo ativo

Informação do sensor é capturada, processada e armazenada

Duração

Corrente

Energia

(ms)

(mA)

(mAh)

3,60E+3

1,00E-6

1,00E-3

1,00E-2

5,00E-5

1,39E-7

350 300 250 200 150 100 50

1,00E-3

5,00E-3

1,39E-6

0 0,58

7,00E-4

Transmissão de pacotes de dados

8,00E-2

Mudança para modo de recepção para espera do ACK

2,00E-2

0,593

0,595

0,596

0,597

0,598

3,89E-6

Gráfico 2 Consumo médio de um dispositivo FFD 5,00E-2

4,00E-4

1,10E-3

Tabela 2 Caso de uso simples para um módulo ZigBee FFD

2,00E-3 Etapa

Dispositivo entra no Retorna para a primeira modo sleep etapa

Total gasto em mAh

Cons um o RFD 1,2

Atividade

Duração

Corrente

Energia

(ms)

(mA)

(mAh)

Aguardando

2,00E-2

3,00E-4

1,67E-6

Recebe o data frame com os dados de destino

6,00E-4

2,00E-2

3,33E-6

Transmite o pacote de dados

8,02E-2

5,00E-2

1,11E-3

Mudança para o modo de recepção para espera do ACK

4,00E-4

2,00E-2

2,22E-6

Estado ativo

Total mAh

1,45E-3

A Tabela 1 exibe um nó RFD num intervalo de tempo realizando a leitura de um sensor. O Gráfico 1 exibe a durabilidade da bateria em diversos ciclos de trabalho.

Consumo (mA)

0,59

Período de Atividade (m s)

Mudança para o modo de recepção para realização do CCA (Clear Channel Assessment)

400

Consumo (mA)

Etapa

Consum o FFD

Retorna para a primeira etapa

1 0,8

gasto

1,12E-3

0,6

Tabela 3 Caso de uso simples para um módulo ZigBee na descoberta de rota

0,4 0,2 0 178

178

177

176

174

168

Pe ríodo de Atividade (m s )

Gráfico 1 Consumo médio de um dispositivo RFD

Ao se observar o Gráfico 1, fica clara a diminuição do tempo de vida da bateria com o aumento da periodicidade do trabalho do dispositivo final. O Gráfico 2 exibe a durabilidade da bateria em diversos ciclos de trabalho para um dispositivo (FFD), que pode ser um coordenador ou roteador, em um tempo determinado, realizando duas tarefas: a criação de rotas e o encaminhamento de pacotes. Nas Tabelas 2 e 3, pode-se observar os valores de consumo em cada etapa do processo de roteamento e encaminhamento de pacotes.

Duração

Corrente

Energia

(ms)

(mA)

(mAh)

Transmite requisição de rota RREQ

1,52E-4

5,00E-2

2,11E-6

Recebe data frame RREP

2,00E-5

2,00E-2

1,11E-7

Transmite RREP para origem

1,52E-4

5,00E-2

2,11E-6

Estado ativo

Total mAh

Etapa

Atividade

gasto

Retorna para a primeira etapa em

4,33E-6

Consumo em rede

Com o desempenho referente ao consumo mostrado nas Tabelas 1 e 2 e seus respectivos gráficos, é possível verificar o consumo de determinada topologia com vários dispositivos

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(RFD e FFD). Nas Seções 10 e 12, são realizados os cálculos de consumo de duas redes nas topologias malha e árvore. Será possível, assim, verificar o desempenho energético na atuação de dispositivos com e sem capacidade de roteamento e, consequentemente, verificar a atuação dos roteamentos AODV e hierárquico (FARAHANI, 2008).

A B F

C G

Figura 9 Grafo analisado

10 Estudo sobre a topologia árvore A Figura 8 exibe uma rede com topologia em árvore. Nessa topologia, calcula-se o desempenho da rede em duas situações: uma em que os roteadores possuem capacidade de roteamento e outra em que não possuem. O consumo pode ser obtido a partir da seguinte equação:

Custo = {AB, BF} Rota = {A, B, F} Broadcast = {A, B, C, G, F}

Já no caso da utilização do algoritmo de roteamento AODV, pode-se obter o seguinte resultado, conforme Figura 10.

A C

B onde:

PER = período de operação IFFD = consumo dos dispositivos FFD IRFD = consumo dos dispositivos RFD

RFD A:7

A:6

RFD

O custo refere-se aos links envolvidos na construção da rota. Broadcast são todos os dispositivos que responderam à requisição feita pelo nó de origem. Pode-se observar no Gráfico 3, o desempenho dos protocolos de roteamento na topologia ilustrada na Figura 8. Com a utilização da mesma expressão matemática, pode-se observar que o roteamento hierárquico teve melhor desempenho que o AODV. Nesse modelo, é possível notar que, no que tange ao consumo de energia em uma operação de um dia, com leituras de dispositivos RFD realizadas a cada 30 minutos, o desempenho da implementação de uma topologia com roteadores sem capacidade de roteamento foi melhor do que o desempenho com roteadores com capacidade de roteamento.

A:2 D:1 CSKIP:1

FFD

RFD

Custo = {AB, BF} Rota = {A, B, F} Broadcast = {A, B, C, G, F, D, E}

A:1 D:0 CSKIP:3

FFD

Figura 10 Grafo analisado

FFD

A:5

RFD

A:3 D:2 CSKIP:0

A:4

Legenda: A = endereço do nó na rede D = profundidade do nó na rede CSKIP = quantidade de elementos FFD na rede

Figura 8 Topologia árvore analisada

CONSUMO ENERGÉTICO

11 Desempenho dos algoritmos de roteamento (hierárquico e AODV)

3000 AODV

2000

HIERÁRQUICO

1000 23

20,5

15,5

10,5

5,5

0 0,5

Para a verificação do desempenho do algoritmo, a Figura 9 mostra a comunicação entre alguns nós de uma rede de sensores. A comunicação encontra-se entre o nó A, no caso um coordenador, e o nó F, no caso um dispositivo final. Segundo o algoritmo do roteamento hierárquico, tem-se o seguinte resultado.

Consumo(mA)

4000

Te m po de Operação(Hora)

Gráfico 3 Comparativo entre roteamento AODV e hierárquico em topologia árvore

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6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

AODV

20,5

15,5

10,5

0,5

HIERÁRQUICO

A:1 D:0 CSKIP:6

FFD

CONSUMO ENERGÉTICO

5,5

A Figura 11 apresenta uma rede com topologia malha e o desempenho dos algoritmos de roteamento nessa rede.

dados é maior e, consequentemente, o consumo sofrerá um aumento.

Consumo(mA)

12 Estudo sobre a topologia malha

Tem po de Operação(Hora)

FFD

A:7

A:2 D:1 CSKIP:4 D:2 CSKIP:3

FFD

A:6

FFD

D:3 CSKIP:2

A:8

FFD

D:4 CSKIP:1 A:3 A:4

RFD

A:5

RFD D:5 CSKIP:0

Legenda: A = endereço do nó na rede D = profundidade do nó na rede CSKIP = quantidade de elementos FFD na rede

Figura 11 Topologia malha analisada

No Gráfico 4, é exibido o desempenho dos protocolos de roteamento. Novamente, o algoritmo de roteamento hierárquico teve um melhor desempenho em relação ao AODV. Nessa topologia, há diversos caminhos possíveis, entre a origem e o destino, para o envio do pacote de dados. O algoritmo de roteamento AODV tem a vantagem de escolher o caminho com menor custo e maior probabilidade de sucesso, sendo que suas chances de repetir uma transmissão são pequenas em relação ao roteamento hierárquico, que não inclui a escolha com base no custo de rota. Observando-se os valores do Gráfico 4, é possível notar que foi considerado um caminho de maior custo para a rota definida pelo algoritmo de roteamento hierárquico. Com isso, a probabilidade de retransmissão do pacote de

Gráfico 4 Comparativo entre roteamento AODV e hierárquico em topologia malha

Conclusão Os algoritmos implementados para o padrão ZigBee são relativamente simples, não consumindo muitos recursos de processamento ou muito espaço de memória. O algoritmo de roteamento hierárquico, de modo geral, obteve melhor desempenho em relação ao AODV, no que tange ao consumo de energia. Por outro lado, o algoritmo de roteamento AODV apresentou um desempenho superior ao hierárquico no que se refere a mobilidade e capacidade de adaptação à topologia para obtenção de novas rotas – fatores que tornam a rede dinâmica. Esse é um ponto muito importante, pois o padrão ZigBee, por ser voltado para redes de sensores, sempre apresenta mudanças no posicionamento de determinado dispositivo. Isso ocasiona mudanças na topologia da rede e gera a necessidade de realização de cálculos de novas rotas para o mesmo destino. A análise dos desempenhos de ambos os algoritmos de roteamento é importante para a especificação das baterias que alimentarão a suposta rede e também para a definição da complexidade dos roteadores que suportarão a criação e a manutenção de rotas. Os resultados apresentados neste artigo podem disponibilizar os custos significativos decorrentes de uma especificação para cobertura de determinada aplicação. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio dado a este trabalho, desenvolvido no âmbito do projeto “Redes de Acesso Sem Fio Avançadas” que contou com recursos do Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações – FUNTTEL, do Ministério das Comunicações, através do Convênio nº 01.09.0631.00 com a Financiadora de Estudos e Projetos – FINEP.

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Redes de sensores ZigBee: visão geral da tecnologia e análise de consumo dos nós

Referências ERGEN, S. C. ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary, Editora Newnes, 2004. FARAHANI, S. ZigBee Wireless Networks and Transceivers, Editora Newnes, 2008. INSTITUTE

ELECTRICAL

AND

ELECTRONIC ENGINEERS (IEEE). Standard 802.15.4-2006, Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs). 2006. ZIGBEE ALLIANCE. ZigBee Specification document 053474r17. October 2007.

Abstract This paper presents a review on the ZigBee standard, which has been adopted and explored. This paper also highlights significant features offered by the standard, and offers a comparative analysis on ondemand and hierarchical routing protocols. Another objective of this present work is to verify the performance of both protocols in relation to power consumption, since this requirement is one of the most important when the subject is the network sensor performance. Key words: ZigBee. Mesh. Tree. Star.

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Sincronismo para sistemas adaptativos utilizando marca d'água Mário Uliani Neto*, Leandro de Campos Teixeira Gomes, João Marcos Travassos Romano** Para que o processo de detecção de uma marca d’água digital seja eficiente, é necessária a sincronização da marca no detector. Efeitos de dessincronização podem prejudicar a detecção e inviabilizar a extração adequada da informação contida na marca d’água. Este trabalho apresenta dois métodos de sincronização para sistemas de filtragem adaptativa empregando marca d’água. Ambos os métodos revertem os efeitos de uma ampla classe de ataques de dessincronização. Resultados de simulações computacionais são apresentados para evidenciar o desempenho dos métodos propostos. Palavras-chave: Sincronismo. Equalização adaptativa. Identificação adaptativa. Marca d'água digital. Introdução A abordagem deste trabalho propõe o uso de uma marca d’água digital em lugar de uma sequência de treinamento como sinal de referência na filtragem adaptativa supervisionada (GOMES; ULIANI NETO; ROMANO, 2008; ULIANI NETO, 2008; ULIANI NETO et al., 2006; ULIANI NETO; GOMES; ROMANO, 2007b; 2009). O sinal de marca d’água é continuamente superposto ao sinal de informação por meio da técnica de espalhamento espectral, que consiste no uso, como marca d’água, de um sinal pseudoaleatório distribuído de maneira uniforme em frequência e ortogonal em relação ao sinal de informação, ocupando uma pequena parcela da potência disponível para o sinal transmitido. O sinal resultante passa através de um canal de transmissão e atinge o receptor. Por meio da comparação entre o sinal recebido e a marca d’água original (conhecida no receptor), os coeficientes do filtro adaptativo são continuamente atualizados. A diferença entre os sinais produz um sinal de erro que é realimentado no próprio filtro. A minimização desse sinal de erro leva à solução ótima de Wiener (HAYKIN, 2001). A principal vantagem dessa abordagem em relação a técnicas convencionais supervisionadas é o fato de que o sinal de informação nunca é interrompido. Além disso, a atualização dos coeficientes do filtro adaptativo é contínua e, portanto, alterações nas características do sistema têm efeito imediato sobre a filtragem. Em relação às técnicas adaptativas não supervisionadas, a vantagem do uso de uma marca d’água é a obtenção de uma função unimodal e, na maioria dos casos, uma menor complexidade. Em geral, o processo de detecção de uma marca d'água inicia-se com a sincronização da marca no detector. Dependendo da aplicação, um sistema que utilize marca d'água digital deve ser

robusto frente a diferentes tipos de ataques, intencionais ou não. Ataques que causam dessincronização dificultam a correta recuperação da informação contida na marca d'água pelo detector, e muitas vezes são particularmente difíceis de se neutralizar. Neste trabalho, serão abordados ataques decorrentes de distorções impostas pela transmissão do sinal marcado através de um canal. Serão considerados também ataques caracterizados pela perda e/ou inserção de trechos do sinal transmitido, acarretando modificações no tamanho do sinal na escala temporal. Ambas as classes de ataques analisadas podem ser intencionais ou não (ULIANI NETO; GOMES; ROMANO, 2007a). Serão detalhadamente analisados dois métodos de sincronização para marcas d'água, ambos baseados no uso de sequências de treinamento embutidas na própria marca d'água e com detecção por correlação. O primeiro método utiliza uma média de janelas de análise e o segundo, um algoritmo de programação dinâmica. Esses métodos revertem os efeitos de uma ampla classe de ataques de dessincronização, além de serem capazes de ressincronizar o sistema continuamente, ao longo de todo o sinal recebido. Conforme a aplicação, a marca d'água deve apresentar um determinado grau de robustez a distorções. Em aplicações envolvendo sistemas de comunicação, é em geral desejável que a marca d'água resista a ataques que podem torná-la indetectável, tais como: adição de ruído, filtragem e perda ou inserção de amostras. Além de modificarem o sinal de marca d'água transmitido, reduzindo a sua correlação com a marca original, tais ataques podem provocar dessincronização entre a marca transmitida e o sinal de referência no receptor. Para acessar a informação contida na marca d'água, o detector deve estar sincronizado com o

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: uliani@cpqd.com.br. **Coordenador do Laboratório de Processamento de Sinais para Comunicações Móveis (DSPCom) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n.1, p. 51-64, jul. 2010/jun. 2011

Sincronismo para sistemas adaptativos utilizando marca d'água

transmissor; isso significa que o instante de início e de fim de cada um dos símbolos que compõem a marca devem ser conhecidos. Para sistemas de filtragem adaptativa nos quais a marca d'água é usada como sinal de referência, o sincronismo é particularmente importante, pois a correlação entre a marca original e o sinal de referência no receptor diminui rapidamente quando a janela de análise se afasta da posição correta. O artigo está estruturado como descrito a seguir: a Seção 1 apresenta a ideia geral dos métodos de sincronismo aplicados aos problemas de equalização e identificação adaptativas; a Seção 2 apresenta os métodos de sincronização propostos; a Seção 3 descreve os algoritmos empregados para implementá-los; a Seção 4 apresenta a análise do desempenho dos métodos de sincronismo com diferentes tipos de sinais; e a última Seção apresenta as considerações finais e as perspectivas de trabalhos futuros. 1

Sincronismo para sistemas de equalização e identificação adaptativas de canais utilizando marca d’água

Uma das técnicas mais comuns de sincronização em comunicação digital baseia-se no uso de sequências de treinamento. O transmissor envia uma sequência conhecida que atravessa o canal de comunicação; no receptor, a sequência recebida é alinhada com um sinal de referência idêntico à sequência original, levando à sincronização do sistema. A mesma ideia pode ser utilizada para sincronizar a marca d'água: nos esquemas de equalização e identificação, a marca é composta por uma sucessão de amostras conhecidas, obtidas a partir de uma sequência pseudoaleatória escalonada que pode ser reproduzida no receptor. Essa sequência de amostras será denominada bloco da marca d'água. Para cada janela de análise, o processo de sincronização procura localizar determinado bloco no sinal recebido, o que é feito por meio do cálculo da correlação desse sinal com as amostras que compõem o bloco original. Esse método permite que a sincronização seja realizada continuamente ao longo da recepção (GÓMEZ, 2000; MOREAU; DYMARSKI; GOMES, 2000). Quando um atraso é imposto por um processo de filtragem, ou amostras são extraídas e/ou inseridas no sinal marcado, há um deslocamento no pico da correlação entre as janelas do sinal marcado e o bloco da marca d'água. Com base nessa medida de correlação, o detector pode estimar o atraso do sinal marcado. Esse processo é utilizado tanto no esquema de equalização quanto no de identificação utilizando marca d'água (Figuras 1 e 2, respectivamente).

Figura 1 Esquema de equalização utilizando marca d'água com sincronização

Figura 2 Esquema de identificação utilizando marca d'água com sincronização

Para cada janela de análise, o algoritmo adaptativo recebe do esquema de sincronismo a informação do atraso ótimo do sistema, expresso por um deslocamento d . A sequência de treinamento, que corresponde a um bloco da marca d'água, deve ter comprimento suficiente para que a sua autocorrelação se aproxime de uma função impulso, ou seja, o bloco deve ter características próximas às de um sinal branco. Como a marca d'água está presente ao longo de todo o sinal de informação, o sistema é capaz de rastrear o sincronismo de forma contínua, identificando rapidamente deslocamentos da marca caso o sistema perca o sincronismo. O detector da marca d'água, ilustrado na Figura 3, opera com base em um processo de correlação linear. O correlator calcula a correlação entre uma janela do sinal marcado distorcido pelo canal x ( n ) e um bloco da marca

d'água original m ( n ) , conhecido no receptor. O método de sincronização mais imediato consiste em adotar como deslocamento ótimo d o deslocamento correspondente ao pico de correlação para cada janela de análise; no entanto, como será visto mais adiante, esse

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Sincronismo para sistemas adaptativos utilizando marca d'água

método está sujeito a fortes interferências de ruído, sobretudo no caso em que a marca d'água é muito menos potente do que o sinal de informação. Métodos mais elaborados e que reduzem a interferência do ruído na sincronização serão apresentados nas próximas seções.

sequência de treinamento conhecida pelo receptor, correspondente às amostras que compõem um bloco da marca d'água. Essas amostras são provenientes de uma sequência pseudoaleatória escalonada. O bloco da marca d'água contém N amostras, apresentando características próximas às de um sinal branco. A marca d'água é construída por meio da sucessão de múltiplas cópias desse bloco. Essa estrutura é ilustrada na Figura 4.

Figura 3 Esquema do detector da marca d'água

Métodos de sincronização

Para encontrar o deslocamento correspondente ao sincronismo da marca d'água no sinal recebido, considera-se a marca como uma sequência de treinamento conhecida e presente ao longo de todo o sinal. Nesse contexto, serão analisadas duas abordagens para esse problema. A primeira abordagem baseia-se no uso de uma marca d'água construída através da replicação de um único bloco de sinal obtido a partir de uma sequência pseudoaleatória. Como esse bloco é conhecido no receptor, é possível calcular a correlação entre o sinal recebido e o bloco original por meio de uma janela deslizante de análise; com isso, constrói-se uma matriz que contém os valores de correlação cujas linhas e colunas correspondem ao deslocamento da janela deslizante e ao número da janela de análise, respectivamente. Observando-se os valores máximos de correlação para as janelas, definem-se os deslocamentos ótimos referentes ao sincronismo da detecção da marca. A segunda abordagem utiliza uma marca d'água construída por meio da concatenação de vetores de um codebook em uma ordem determinada (conhecida no receptor). Além da matriz que contém valores de correlação, constrói-se outra matriz contendo o símbolo correspondente ao vetor do codebook que apresenta a maior correlação com a janela deslizante. Para determinação do sincronismo, são considerados os valores de correlação e a observância da sequência apropriada de símbolos do codebook. 2.1 Sequência de blocos Nesta abordagem, tanto a sincronização inicial como a ressincronização contínua da detecção da marca d'água são obtidas por meio de uma

Figura 4 Estrutura de dados para sincronização1

O bloco da marca d'água é dado por:

mα =  mα ( 0 ) , mα (1) ,L , mα ( N − 1) 

(1)

onde N expressa a quantidade de amostras no

bloco e α ∈ {0,1} é a estimativa do fator de atenuação aplicado à sequência pseudoaleatória para obter-se a relação desejada entre as potências do sinal e da marca d'água (Signal-toWatermark Ratio – SWR). A janela de análise tem o mesmo comprimento do bloco. O instante em que começa um bloco é inicialmente desconhecido. Na detecção, uma janela deslizante é utilizada para calcular 2Λ medidas de correlação entre o sinal recebido x ( n ) e as amostras do bloco da marca d'água

mα ( n ) para cada janela de análise:

r (λ, j ) =

N −1

∑ x ( jN + n + λ ) mα ( n )

(2)

n =0

onde λ ∈ [ −Λ, Λ − 1] é o deslocamento da janela deslizante e j representa o número da janela de análise. Esse processo é ilustrado na Figura 5. Com isso, pode-se construir uma matriz

A = {aλ , j }

que

contenha

correlações

calculadas e cujas linhas e colunas correspondam ao deslocamento λ e à posição j de cada janela de análise, respectivamente. Para que todos os possíveis deslocamentos da marca d'água sejam analisados, deve-se ter Λ = N / 2 (com N par). No entanto, caso haja segurança de que o sistema se encontra próximo do sincronismo e se deseje apenas refinar essa situação, pode-se utilizar um valor menor para Λ , economizando recursos computacionais.

____________________________________________________________________

O bloco cinza corresponde ao bloco formado por símbolos pseudoaleatórios; a sucessão de blocos corresponde à marca d'água.

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um método de programação dinâmica. Os algoritmos definirão os deslocamentos ótimos correspondentes ao sincronismo da marca d'água, resultando em um conjunto de J valores para λ ,  λˆ0 K λˆJ −1  , referentes a cada janela de análise. Figura 5 Cálculo de correlação para sincronismo

Pelo fato de a marca d'água apresentar, em geral, potência muito inferior à do sinal de informação, picos espúrios de correlação (não correspondentes ao deslocamento real da marca d'água) podem surgir na matriz A . Por isso, para cada janela de análise, a simples escolha do deslocamento da janela deslizante correspondente à máxima correlação pode levar a resultados bastante ruins, conforme ilustrado na Figura 6. A interferência do sinal de informação pode ser reduzida por meio de métodos de sincronização que levem em conta várias janelas de sinal simultaneamente, como discutido a seguir.

2.2 Sequência de símbolos de codebook Uma abordagem para aumentar a robustez na sincronização da marca d'água foi proposta por Gomes, Gómez e Moreau (2001). Em vez de um único bloco, como apresentado na seção anterior, um codebook C é usado para gerar a

w ( n ) . Esse codebook vetores contém k u k = uk ( 0 )L uk ( N − 1)  ( k ∈ [ 0, K − 1]) marca d'água digital

associados a K símbolos. A sequência de símbolos z = [ z0 L zM −1 ] que compõem a marca d'água é obtida de acordo com a regra

z j = j mod K

(3)

onde z j é o j -ésimo símbolo na sequência da

marca d'água ( j ∈ [ 0, J − 1] ), sequência esta completamente conhecida no detector. A marca d'água w ( n ) é construída por meio da concatenação dos vetores associados aos símbolos na sequência z . Na detecção, uma janela deslizante é usada para calcular 2Λ medidas de correlação entre o sinal

Figura 6 Deslocamentos de janela deslizante correspondente à máxima correlação para o bloco da marca d'água2

Serão apresentados nas Seções 3.1 e 3.2 dois algoritmos capazes de determinar um caminho com base na matriz A correspondente aos deslocamentos ótimos da marca d'água, partindo da primeira coluna da matriz ( j = 0 ) até a última ( j = J − 1 ). O número J de janelas do sinal recebido que devem ser acumuladas para análise simultânea pelos algoritmos de sincronização dependerá de cada aplicação; quanto maior esse número, mais precisa tende a ser a determinação do sincronismo da marca, porém maior será o atraso para que esse resultado seja obtido. O primeiro algoritmo apresentado baseia-se no cálculo da média entre janelas de análise, enquanto o segundo emprega

recebido x ( n ) e cada um dos K vetores no codebook C , para cada janela de análise (correspondente a um dos J símbolos presentes na marca d'água): N −1

∑ x ( jN + n + λ ) u ( n )

r (λ, k, j ) =

n =0

(4)

onde λ ∈ [ −Λ, Λ − 1] é o deslocamento da janela deslizante e j é o número da janela de análise. Selecionando-se os símbolos do codebook que apresentam máxima correlação com o sinal recebido para cada janela de análise, podem-se

{ }

construir as matrizes A = aλ , j

{ }

e B = bλ , j ,

cujas linhas e colunas correspondem, respectivamente, ao deslocamento λ e à posição j de cada janela de análise:

aλ , j = max r ( λ , k , j )

(5)

bλ , j = arg max r ( λ , k , j )

(6)

__________________________________________________________________ 2

Para ilustrar a perda de sincronismo, 5 amostras foram removidas a cada 200 janelas.

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Dessa forma, A conterá as maiores medidas de correlação para cada deslocamento da janela deslizante e cada posição na sequência de símbolos que compõem a marca d'água, e B conterá o símbolo do codebook C correspondente à máxima correlação. Como na abordagem apresentada na seção anterior, deve-se ter Λ = N / 2 (supondo N par) para que todos os possíveis deslocamentos da marca d'água sejam analisados, podendo-se utilizar valores menores para Λ (com economia de recursos computacionais), caso o sistema já esteja próximo ao sincronismo e haja interesse apenas em refinar essa situação. Será apresentado na Seção 3.2 um algoritmo capaz de determinar um caminho ótimo nas matrizes A e B , partindo da primeira coluna ( j = 0 ) até a última ( j = J − 1 ), levando em conta a ordem esperada de símbolos na marca d'água e as medidas máximas de correlação. Isso resulta em um conjunto de J valores para

λ , λˆ0 K λˆJ −1  , um para cada janela de análise. Como ilustração, um exemplo de possível caminho ótimo na matriz B é apresentado na Figura 7.

polarizada. O algoritmo de resultante é descrito a seguir: Para j = 0L J − t − 1

sincronização

Para λ = −Λ L Λ − 1 I (λ ) = 0

Para i = 0L t

I ( λ ) = I ( λ ) + aλ , j +i

λˆ j = arg max λ´ I ( λ´) O resultado do algoritmo é um conjunto de

λˆ0 K λˆJ −t −1   

deslocamentos

correspondentes

ao caminho ótimo segundo o critério adotado. Esse método tende a funcionar bem para valores baixos de SWR, para os quais há relativamente poucos picos espúrios de correlação. Quando o sistema trabalha com valores maiores de SWR, a quantidade de picos espúrios cresce rapidamente; para que a média entre janelas seja capaz de eliminá-los, podem ser necessários valores de t elevados, acarretando atrasos significativos para o sistema e reduzindo o seu tempo de resposta. Tais atrasos podem ser impraticáveis, sobretudo em sistemas de tempo real que requeiram uma constante verificação de sincronismo. Em particular, esse método pode ser interessante para a sincronização inicial do sistema, na qual um certo atraso geralmente pode ser tolerado. 3.2 Sincronização por programação dinâmica

Figura 7 Exemplo de possível caminho ótimo na matriz B

Algoritmos de sincronização

Esta seção apresenta dois métodos de sincronização para sistemas de filtragem adaptativa empregando marca d’água. Ambos os métodos são baseados no uso de sequências de treinamento embutidas na marca d’água e revertem os efeitos de uma ampla classe de ataques de dessincronização. 3.1 Sincronização por média de janelas de análise A maneira mais imediata para determinar um caminho através da matriz A , correspondente aos deslocamentos estimados para a marca d'água em cada janela de análise, é calcular uma média linear entre t diferentes colunas do conjunto de janelas J . Para cada janela, é escolhido o deslocamento associado à maior correlação média. Mesmo que haja picos espúrios de correlação, estes tenderão a ser neutralizados com o cálculo da média, por apresentarem-se de forma aleatória e não

A seguir serão propostas duas funções custo para sincronismo da marca d'água utilizando um algoritmo de otimização baseado em programação dinâmica. 3.2.1 Função blocos

custo

para sequência

Para determinar os deslocamentos da janela deslizante que levam ao melhor alinhamento com o sinal recebido, pode-se utilizar um algoritmo de programação dinâmica (FORNEY, 1973; BERTSEKAS, 2000). Define-se um estado do algoritmo de otimização como um par ordenado [ λ , j ] no qual o primeiro elemento corresponde a um deslocamento da janela deslizante e o segundo, ao número da janela de análise. Existe uma correspondência direta entre um estado do algoritmo e uma célula

{ }

da matriz A = aλ , j

definida na Seção 2.1. O

objetivo do algoritmo é minimizar uma função custo calculada em termos da matriz A . Como resultado, obtém-se uma sequência de estados que corresponde a um caminho ótimo através da matriz A , indicando o deslocamento da marca

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Sincronismo para sistemas adaptativos utilizando marca d'água

d'água

( λˆ Kλˆ  ) 0

para cada janela de

J −1

análise. A função custo c ( λ , λ´, j )

para passar do

estado [ λ´, j − 1] ao estado [ λ , j ] é composta por dois termos:

c ( λ , λ´, j ) = c1 ( λ , λ´, j ) + c2 ( λ , j )

(7)

O primeiro termo penaliza mudanças no valor do deslocamento λ :

c1 ( λ , λ´, j ) = η j ( λ − λ´)

(8)

O objetivo desse termo é evitar deslocamentos espúrios provocados por picos aleatórios de correlação; em particular, o deslocamento deve permanecer inalterado quando o sistema se encontra sincronizado. O termo quadrático impõe uma penalidade que aumenta rapidamente com o tamanho do salto de λ para λ´ , significando que o algoritmo privilegia mudanças suaves de deslocamento em detrimento de mudanças ab-ruptas (menos comuns na prática). O fator η j é definido como:

 η j −1 + κ1 ηj =   max (η j −1 − κ 2 ,η0 )

se λ ≠ λ´

(9)

outro

sendo κ1 , κ 2 e η0 constantes positivas. Essa definição penaliza caminhos em zigue-zague, pois η j tende a crescer em tal situação. O segundo termo na definição da função custo está relacionado às medidas de correlação presentes na matriz A :

  aλ , j c2 ( λ , j ) = ρ  1 −  (10)  max λ% aλ% , j   onde ρ é uma constante positiva. A expressão entre parênteses assume valores entre 0 (quando o deslocamento λ corresponde ao maior valor de correlação) e 1 (quando a correlação para um deslocamento λ é nula). Essa definição penaliza deslocamentos λ que apresentem baixos valores de correlação. 3.2.2 Função custo símbolos de codebook

para sequência de

Neste caso, além da matriz

A = {aλ , j } , o

processo de otimização leva em conta também a

{ }

matriz B = bλ , j , ambas definidas na Seção 2.2. Como na seção anterior, o objetivo é obter uma sequência de estados do algoritmo que indique o deslocamento da marca d'água

( λˆ Kλˆ  ) 0

J −1

para cada janela de análise, correspondendo a um caminho ótimo através das matrizes A e B .

A função custo c ( λ , λ´, j )

para passar do

estado [ λ´, j − 1] ao estado [ λ , j ] é composta, neste caso, por três termos:

c ( λ , λ´, j ) = c1 ( λ , λ´, j ) + c2 ( λ , j ) + c3 ( λ , λ´, j ) (11) Os dois primeiros termos são idênticos aos definidos na função custo da Equação 7. O terceiro termo, responsável por penalizar a não observância da sequência de símbolos que compõem a marca d'água, é definido como:

ψ ( bλ , j − bλ ´, j −1 − 1) se bλ , j ≥ bλ´, j −1  c3 ( λ , λ´, j ) =  ψ ( bλ , j − bλ ´, j −1 − 1 + K ) outros valores (12) ψ é uma constante e K , o número de onde vetores do codebook. Se a sequência de símbolos da marca d'água é respeitada, esse custo é nulo; caso contrário, o custo é proporcional à quantidade de símbolos faltantes em relação à sequência esperada. Essa definição se justifica pelo fato de que, em geral, a perda de uma pequena quantidade de símbolos é mais comum do que a perda de longos trechos de sinal, devendo-se portanto privilegiar as sequências de estados correspondentes ao primeiro caso no algoritmo de otimização. 3.2.3

Algoritmo de otimização

Define-se o custo acumulado C ( λ , j ) como o

custo mínimo para se atingir o estado [ λ , j ] partindo de um estado na primeira coluna ( j = 0 ) . Esse custo é inicializado em 0 para

j = 0 e todo λ . O algoritmo de otimização empregado, baseado no algoritmo de Viterbi (FORNEY, 1973; BERTSEKAS, 2000), é descrito a seguir: Para j = 1L J − 1 Para λ = −Λ L Λ − 1

λ = arg min λ ' C ( λ ', j − 1) + c ( λ , λ ', j )  C ( λ , j ) = C ( λ , j − 1) + c ( λ , λ , j ) I (λ, j ) = λ

λˆJ −1 = arg min λ% C ( λ%, j − 1)  Para j = J − 2L 0 λˆ = I ( λ , j + 1) j

j +1

O resultado do algoritmo é um conjunto de deslocamentos λˆ0 KλˆJ −1  correspondentes ao

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sincronismo da marca d'água para cada janela de análise.

função de transferência:

Foram

Simulações e resultados

Para analisar o desempenho dos algoritmos de sincronização propostos, dois sinais foram utilizados: o primeiro é um sinal digital, descorrelacionado, constituído de amostras i.i.d. (pertencente a uma constelação 2-PSK com módulo unitário) obtidas através da função randsrc no software de simulação MATLAB; o segundo é um sinal de fala cantada fortemente correlacionado: “svega”, uma versão à capela de “Tom's diner”, de Suzanne Vega, muito usada como referência em trabalhos de marca d'água de áudio (GOMES; GÓMEZ; MOREAU, 2001; GOMES et al., 2003). Considera-se que não há ruído aditivo no sistema. Para ilustrar a perda de sincronismo, 5 amostras foram retiradas do sinal a cada 200 janelas, forçando o sistema a ressincronizar a detecção da marca d'água. Dois cenários de teste foram utilizados: o primeiro, de baixa complexidade, viabiliza uma análise didática para melhor entendimento dos algoritmos de sincronismo; o segundo cenário, mais complexo, possibilita a análise do desempenho dos algoritmos. Os dois métodos de sincronização propostos foram testados. O algoritmo de média de janelas utilizou o valor constante t = 10 . A otimização através de programação dinâmica utilizou os valores constantes ψ = Λ , η0 = 1 , κ1 = 5 ,

κ 2 = 1 e ρ = 10 . Esses parâmetros foram ajustados empiricamente. Primeiro ensaio No primeiro ensaio, assumiu-se que o sinal marcado não estava sujeito a distorções provocadas por processos de filtragem. Nesse caso, a distorção limitou-se à supressão periódica de amostras do sinal. Com isso, buscou-se um ambiente que propiciasse uma análise didática. Foram utilizadas janelas com comprimento N = 60 , com um deslocamento máximo Λ = 30 para a janela deslizante. Vale ressaltar que uma janela curta pode prejudicar a observação das características de descorrelação do sinal, com influência direta no cálculo da correlação, aumentando a quantidade de picos espúrios na matriz A . Essa escolha viabiliza a análise da influência de janelas curtas no cálculo da correlação. Segundo ensaio Assumiu-se neste caso que o sinal marcado estava sujeito a um processo de filtragem, modelado como um canal linear invariante no tempo de fase não mínima, com a seguinte

Η1 ( z ) = 1 + 1, 2 z −1 − 0,3 z −2 + 0,8 z −3 utilizadas

janelas

com

(13) comprimento

N = 512 , com um deslocamento máximo Λ = 256 para a janela deslizante. Uma janela

com esse comprimento, bem mais longo do que no primeiro ensaio, pode permitir a observação de características próximas às de um sinal branco. Essa escolha viabiliza a análise de janelas longas no cálculo da correlação. 4.1 Resultados experimentais Serão apresentados inicialmente os resultados referentes ao primeiro ensaio, permitindo uma análise didática dos algoritmos propostos. As Figuras 8 e 9 apresentam os resultados para um sinal digital utilizando os algoritmos propostos com relações sinal-marca d'água de 10 e 20 dB, respectivamente. A primeira ilustração de cada figura (8a e 9a) refere-se aos deslocamentos da janela deslizante que produziram os maiores valores de correlação entre o sinal recebido e a marca d'água original, obtidos a partir da matriz A . Notam-se diversos picos espúrios de correlação que dificultam a determinação dos atrasos correspondentes ao sincronismo. Para SWR = 10 dB, apesar da presença de vários picos de correlação espúrios, ainda se pode visualizar de forma relativamente clara os patamares de deslocamento correspondentes ao sincronismo da marca. Já para SWR = 20 dB, os picos espúrios tornam impossível determinar por análise visual os deslocamentos correspondentes ao sincronismo da marca. A grande quantidade de picos espúrios é decorrente do tamanho relativamente curto das janelas de análise neste ensaio, além da baixa potência apresentada pela marca. As Figuras 8b e 9b correspondem ao resultado do algoritmo de média entre janelas de análise. Nota-se que, apesar de se tratar de um sinal descorrelacionado, o método não foi capaz de determinar com exatidão os deslocamentos correspondentes ao sincronismo da marca d'água. Para SWR = 10 dB, o algoritmo identificou um deslocamento inexistente em torno da janela 390; já para SWR = 20 dB, o resultado mostra vários deslocamentos inexistentes, com um comportamento em zigue-zague. As Figuras 8c e 9c apresentam o resultado do algoritmo de programação dinâmica utilizando uma sequência de blocos. Nesse caso, os resultados mostram que o algoritmo foi capaz de rastrear o deslocamento correspondente ao sincronismo da marca para as relações sinal-marca d'água utilizadas. No entanto, para SWR = 20 dB, o algoritmo apresenta problemas nas transições entre deslocamentos, levando algum tempo para ajustar-se às novas condições de sincronismo.

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(a)

(b)

(c)

Figura 8 Desempenho dos algoritmos com sinal digital (SWR = 10 dB) sem presença de distorções: (a) picos espúrios de correlação; (b) sincronização por média de janelas de análise; (c) sincronização por programação dinâmica

Figura 9 Desempenho dos algoritmos com sinal digital (SWR = 20 dB) sem presença de distorções: (a) picos espúrios de correlação; (b) sincronização por média de janelas de análise; (c) sincronização por programação dinâmica

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As Figuras 10 e 11 apresentam os resultados para um sinal de fala fortemente correlacionado utilizando os algoritmos propostos com relações sinal-marca d'água de 10 e 20 dB, respectivamente. Como no caso anterior, a primeira ilustração de cada figura (10a e 11a) refere-se aos deslocamentos da janela deslizante que produziram os maiores valores de correlação entre o sinal recebido e a marca d'água original. No caso desse sinal, assim como na maioria dos sinais de fala e áudio, a potência varia fortemente

ao longo do tempo, havendo inclusive trechos de silêncio. Nesses trechos, estabelece-se um limiar mínimo de potência para a marca d'água, obtido empiricamente, que possibilita a sua detecção sem introduzir um ruído demasiadamente incômodo no sinal; como consequência, há uma diminuição momentânea da SWR, pois o áudio tem potência muito baixa3. Isso leva a uma detecção praticamente exata do sincronismo nesses trechos.

(a)

(b)

(c) Figura 10 Desempenho dos algoritmos com sinal de áudio (SWR = 10 dB) sem presença de distorções: (a) picos espúrios de correlação; (b) sincronização por média de janelas de análise; (c) sincronização por programação dinâmica

(c) Figura 11 Desempenho dos algoritmos com sinal de áudio (SWR = 20 dB) sem presença de distorções: (a) picos espúrios de correlação; (b) sincronização por média de janelas de análise; (c) sincronização por programação dinâmica

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3 Para garantir a inaudibilidade da marca d'água, sua densidade espectral de potência deveria estar abaixo do limiar absoluto de audibilidade em silêncio. Para mais detalhes, ver Uliani Neto (2008).

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Com o algoritmo de média entre janelas de análise, o desempenho geral é melhor do que o obtido com a simples maximização da correlação, mas notam-se vários deslocamentos não correspondentes ao sincronismo da marca. Para SWR = 20 dB, alguns dos deslocamentos inexistentes são relativamente longos, o que se deve à forte correlação do sinal de fala. As Figuras 10 e 11 também mostram o resultado do algoritmo de programação dinâmica utilizando sequência de blocos. Esse algoritmo apresentou bom resultado para ambas as SWRs. Passaremos agora à análise do segundo ensaio, com os sinais sujeitos a um processo de filtragem linear invariante no tempo de fase não mínima. A Figura 12 apresenta os resultados para um sinal digital utilizando os algoritmos propostos. Como uma ideia fundamental no paradigma da marca d'água é a transparência, é apresentada a simulação para SWR = 20 dB, considerada uma relação suficiente para garantir transparência em sinais de áudio (ULIANI NETO, 2008; ULIANI NETO; GOMES; ROMANO, 2009). A Figura 12a apresenta os deslocamentos da janela deslizante que produziram os maiores valores de correlação entre o sinal recebido e a marca d'água original, obtidos a partir da matriz A . Apesar de ter sido usado Λ = 256 no cálculo da matriz A , é apresentado um zoom da figura entre λ = −25 e λ = 5 para facilitar a visualização. Devido à presença do canal linear de fase mista, o deslocamento correspondente ao melhor sincronismo da marca inicia-se em λ = 1 (posição do coeficiente de maior amplitude do canal), diferentemente do caso anterior, no qual se iniciava em λ = 0 . No entanto, o canal insere atrasos no sinal com soluções válidas para o sincronismo que variam de λ = 0 a λ = 3 . Essa figura mostra que há uma concentração de máximos de correlação nessa faixa de deslocamentos, embora existam vários picos espúrios. A Figura 12b apresenta o resultado do algoritmo utilizando média entre janelas. Nota-se que o método não foi capaz de determinar com exatidão o melhor sincronismo; entretanto, o deslocamento referente ao sincronismo da marca salta entre as diferentes soluções válidas impostas pelo canal. A Figura 12c mostra que o algoritmo de programação dinâmica utilizando sequência de blocos foi capaz de determinar os deslocamentos correspondentes ao melhor sincronismo para o sinal digital. No entanto, apresentou problemas nas transições entre deslocamentos, levando algum tempo para ajustar-se à nova condição de sincronismo. A Figura 12d mostra que o algoritmo de programação dinâmica utilizando sequência de símbolos de codebook foi capaz de rastrear o

melhor sincronismo de forma eficiente, inclusive nos momentos de transição.

(a)

(b)

(c)

(d) Figura 12 Desempenho dos algoritmos de sincronismo com sinal digital (SWR = 20 dB) na presença de sistema hostil: (a) picos espúrios de correlação; (b) média de janelas; (c) programação dinâmica utilizando bloco; (d) programação dinâmica utilizando codebook

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A Figura 13 apresenta os resultados para o sinal de fala utilizando os algoritmos propostos. A Figura 13a apresenta os deslocamentos da janela deslizante que produziram os maiores valores de correlação entre o sinal recebido e a marca d'água original, obtidos a partir da matriz A , com SWR = 20 dB. Com o intuito de facilitar a visualização, foi feito um zoom para deslocamentos λ de −25 a 5 . Diferentemente do caso do sinal digital, a figura mostra que os valores máximos de correlação para cada janela não se concentram na faixa de valores de λ = 0 a λ = 3 , correspondentes aos sincronismos válidos. Isso ocorre devido ao fato de o sinal de fala ser altamente correlacionado, levando a uma quantidade de picos espúrios de correlação ainda maior do que no caso anterior. A Figura 13b apresenta o resultado do algoritmo

utilizando média entre janelas. Vê-se que o método não foi capaz de determinar com exatidão o sincronismo da marca d'água. A ilustração mostra vários deslocamentos inexistentes. A Figura 13c mostra que o algoritmo de programação dinâmica utilizando sequência de blocos foi capaz de encontrar o deslocamento referente ao melhor sincronismo para o sinal de fala. Contudo, apresentou problemas na transição de deslocamentos, também levando algum tempo para ajustar-se à nova condição de sincronismo. Por fim, a Figura 13d mostra que o algoritmo de programação dinâmica utilizando sequência de símbolos de codebook foi capaz de rastrear o melhor sincronismo de forma eficiente, mesmo com um sinal fortemente correlacionado.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 13 Desempenho dos algoritmos de sincronismo com sinal de fala (SWR = 20 dB) na presença de sistema hostil: (a) picos espúrios de correlação; (b) média de janelas; (c) programação dinâmica utilizando bloco; (d) programação dinâmica utilizando codebook

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Conforme apresentado nos resultados experimentais, o método de sequência de símbolos de codebook foi capaz de identificar os deslocamentos correspondentes ao sincronismo da marca d'água, tanto para sinais hospedeiros descorrelacionados como para correlacionados. O sistema proposto fornece esses deslocamentos para o filtro de equalização ou identificação, permitindo que este convirja para a melhor solução de Wiener, correspondente ao atraso ótimo do sistema. As Figuras 14 e 15 apresentam os sistemas completos de equalização e identificação, respectivamente, incluindo o método de sincronização por sequência de símbolos de codebook. Conclusão Neste trabalho, foram apresentados dois métodos de sincronização aplicáveis aos sistemas de equalização e identificação adaptativos utilizando marca d'água. Os métodos são baseados em sequências de treinamento constituídas pela informação embutida na marca d'água e detectadas por meio de correlação. Esses métodos revertem os efeitos de uma ampla classe de ataques de dessincronização, sendo capazes de monitorar o sincronismo

continuamente ao longo de todo o sinal recebido. Foram propostos dois algoritmos para determinação dos atrasos ótimos do sistema no contexto de equalização e identificação de canais. O primeiro, que é uma contribuição específica deste trabalho, baseia-se na média entre janelas de análise do sinal recebido. O segundo, inicialmente proposto por Gomes, Gómez e Moreau (2001), baseia-se em uma técnica de programação dinâmica que leva em conta a correlação entre o sinal recebido e a marca d'água original, e introduz na função custo um termo que verifica se é respeitada uma sequência de símbolos de codebook usada na construção da marca d'água. Nas simulações, foi abordado o caso de distorções impostas pela transmissão do sinal marcado através de um canal linear. Além disso, foi considerada a situação de perda esporádica de trechos do sinal transmitido. Os resultados experimentais mostram que os métodos foram bem-sucedidos ao encontrar o atraso inicial requerido para o sincronismo da marca d'água. O segundo método apresentado, baseado em programação dinâmica, foi também capaz de ressincronizar continuamente o sinal recebido, corrigindo rapidamente perdas de sincronismo causadas por falhas no canal de comunicação.

Figura 14 Sistema completo de identificação utilizando marca d'água

Figura 15 Sistema completo de equalização utilizando marca d'água

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MOREAU, N.; DYMARSKI, P.; GOMES, L. C. T. Tatouage audio: une réponse à une attaque désynchronisante. In: JOURNÉES D'ÉTUDES ET D'ÉCHANGES: COMPRESSION ET REPRÉSENTATION DES SIGNAUX AUDIOVISUELS (CORESA), 6., 2000, Poitiers. Annales... Poitiers, France. 2000. ULIANI NETO, M. Equalização e Identificação Adaptativas Utilizando Marca d'Água como Sinal de Supervisão. 2008. Dissertação (Mestrado) – Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2008. ULIANI NETO, M. et al. Adaptive Equalization Based on Watermarking. In: VI INTERNATIONAL TELECOMMUNICATIONS SYMPOSIUM (ITS2006), 2006, Fortaleza. Proceedings... 2006. ULIANI NETO, M; GOMES, L. C. T.; ROMANO, J. M. T. Métodos de Ressincronização para Sistemas de Equalização e Identificação Utilizando Marca d'Água Digital. In: XXV SIMPÓSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICAÇÕES (SBrT 2007), 2007, Recife. Anais... 2007a. ______. Identificação Adaptativa Supervisionada Utilizando Marca d'Água Digital. In: XXV SIMPÓSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICAÇÕES (SBrT 2007), 2007, Recife. Anais... 2007b. ______. Equalização e identificação adaptativas de canais utilizando marca d’água. Cadernos CPqD Tecnologia, Campinas, v. 5, n. 2, p. 37-56, jul./dez. 2009.

Abstract For the watermark detection process to be efficient, synchronization of the watermark in the detector is required. Desynchronization effects can reduce detection performance, potentially making impracticable the appropriate extraction of the information contained in the watermark. This work presents two synchronization methods for adaptive filtering systems using a watermark. Both methods can reverse the effects of a large class of desynchronization attacks. Simulation results are presented to illustrate the performance of the proposed method. Key words: Synchronization. Adaptive equalization. Adaptive identification. Digital watermark.

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OpenFlow e redes definidas por software: um novo paradigma de controle e inovação em redes de pacotes Christian Esteve Rothenberg*, Marcelo Ribeiro Nascimento, Marcos Rogério Salvador, Maurício Ferreira Magalhães** Há algum tempo observa-se o surgimento da necessidade de maior abertura e flexibilidade dos equipamentos de rede, especialmente com o propósito de pesquisa e inovação. Os roteadores atuais implementam uma arquitetura composta por uma camada de software fechada, que é executada em um hardware proprietário. Esse modelo resulta em soluções de alto custo, dificulta a inserção de novas funcionalidades e inviabiliza a experimentação de novas ideias. Com o avanço da padronização do protocolo OpenFlow para programar o plano de encaminhamento dos equipamentos de redes de pacotes, o conceito de redes programadas por software traz um novo paradigma de inovação cujo potencial disruptivo assemelha-se ao da introdução de sistemas operacionais em computadores e, mais recentemente, em dispositivos móveis. Este artigo introduz os princípios da tecnologia OpenFlow e apresenta a arquitetura RouteFlow como exemplo de inovação para a função de roteamento em um ambiente aberto (open source), executado sobre hardware comercial (commodity). Palavras-chave: Redes de pacotes. Roteamento. Encaminhamento. Software livre. Virtualização. Introdução A infraestrutura das redes de pacotes é composta, atualmente, por equipamentos proprietários, fechados e de alto custo, cujas arquiteturas básicas são concebidas a partir da combinação de circuitos dedicados, responsáveis por garantir alto desempenho (Application Specific Integrated Circuit – ASIC), ao processamento de pacotes. A infraestrutura é complementada por uma camada de software de controle, responsável pelo suporte a uma extensa pilha formada por um número elevado de protocolos. No entanto, torna-se evidente a necessidade de especialização da lógica de controle de acordo com cada tipo e objetivo de rede. Porém, qualquer mudança de configuração avançada do equipamento ou especialização da lógica de controle e tratamento dos pacotes ou, ainda, inserção de novas funcionalidades estão sujeitas a ciclos de desenvolvimento e de testes restritos ao fabricante do equipamento, resultando em um processo demorado e custoso (HAMILTON, 2009). No âmbito da pesquisa, essas exigências são ainda maiores pois requerem experimentações de novos protocolos e funcionalidades da rede em condições reais, idealmente em ambientes “espalhados” da rede em operação (SHERWOOD et al., 2010). A ausência de flexibilidade no controle do funcionamento interno dos equipamentos assim como o alto custo da infraestrutura vigente são barreiras para a evolução das arquiteturas e para a inovação decorrente da oferta de novos serviços e aplicações de rede (ANWER et al.,

2010). Este artigo faz um levantamento do estado da arte da tecnologia OpenFlow como quebra de paradigma de controle em software (remoto) dos equipamentos de rede, habilitando o conceito de redes definidas por software. Como exemplo de utilização, apresenta-se um trabalho em desenvolvimento, voltado para uma arquitetura de roteamento denominada RouteFlow (NASCIMENTO et al., 2011), cujo controle é realizado remotamente via software. Essa arquitetura é implementável em produtos comerciais e utiliza ambientes de software de domínio público para implementação das funções de controle. 1

Redes definidas por software

Apesar da evolução formidável da Internet, em termos de penetração e de aplicações, sua tecnologia, representada pela arquitetura em camadas e pelos protocolos do modelo TCP/IP, não evoluiu suficientemente nos últimos vinte anos. A Internet tornou-se comercial e os equipamentos de rede tornaram-se “caixas pretas”, ou seja, implementações integradas verticalmente baseadas em software fechado sobre hardware proprietário. O resultado desse modelo é o já reconhecido engessamento da Internet (CHOWDHURY; BOUTABA, 2009). Em contraste com o desenho da arquitetura da Internet, caracterizada por um plano de controle (PC) distribuído, os avanços na padronização de APIs (Application Programming Interface) independentes do fabricante do equipamento

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: esteve@cpqd.com.br. ** Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação – Unicamp. Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n.1, p. 65-76, jul. 2010/jun. 2011

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(OPENFLOW, 2010; IETF, 2011) permitem mover grande parte da lógica de tomada de decisão dos dispositivos de rede para controladores externos, que podem ser implementados com o uso da tecnologia de servidores comerciais (PCs), um recurso abundante, escalável e barato. Essa “lobotomia” da inteligência do equipamento da rede para controladores logicamente centralizados possibilita a definição do comportamento da rede em software não apenas pelos fabricantes do equipamento, mas também por fornecedores ou pelos próprios usuários, como, por exemplo, operadores de rede. 1.1 Arquiteturas de roteamento Uma análise da arquitetura atual dos roteadores (Figura 1) permite observar que se trata de um modelo formado basicamente por duas camadas bem distintas: o software de controle e o hardware dedicado ao encaminhamento de pacotes (JUNIPER NETWORKS, 2010). O primeiro, encarregado de tomar as decisões de roteamento, transfere essas decisões para o plano de encaminhamento através de uma API proprietária. A única interação da gerência com o dispositivo ocorre através de interfaces de configuração (Web, SNMP, CLI, por exemplo), limitando o uso dos dispositivos às funcionalidades programadas pelo fabricante. É coerente pensar que se a arquitetura é, atualmente, composta por duas camadas autocontidas, elas não precisam estar fechadas em um mesmo equipamento. Para isso, basta que exista uma forma padrão de se programar o dispositivo de rede remotamente, permitindo que a camada de controle possa ser movida para um servidor dedicado e com alta capacidade de processamento. Desse modo, mantém-se o alto desempenho no encaminhamento de pacotes em hardware aliado à flexibilidade de se inserir, remover e especializar aplicações em software por meio de um protocolo aberto para programação da lógica do equipamento (Figura 1). Com esse propósito, nasceu o consórcio OpenFlow (MCKEOWN et al., 2008), dando origem ao conceito de software-defined networking – as redes definidas por software (GREENE, 2009).

1.2 OpenFlow O OpenFlow foi proposto pela Universidade de Stanford para atender à demanda de validação de novas propostas de arquiteturas e protocolos de rede (incluindo as abordagens clean slate) sobre equipamentos comerciais. OpenFlow define um protocolo-padrão para determinar as ações de encaminhamento de pacotes em dispositivos de rede, como, por exemplo, comutadores, roteadores e pontos de acesso sem fio. As regras e ações instaladas no hardware de rede são responsabilidade de um elemento externo, denominado controlador, que pode ser implementado em um servidor comum, conforme Figura 2.

Figura 2 Exemplo de uma rede com OpenFlow habilitado

A principal abstração utilizada na especificação OpenFlow é o conceito de fluxo. Um fluxo é constituído pela combinação de campos do cabeçalho do pacote a ser processado pelo dispositivo, conforme Figura 3. As tuplas podem ser formadas por campos das camadas de enlace, de rede ou de transporte, segundo o modelo TCP/IP. Deve-se enfatizar que a abstração da tabela de fluxos ainda está sujeita a refinamentos, com o objetivo de oferecer uma melhor exposição dos recursos do hardware e, nesse caso, permitir a concatenação de várias tabelas já disponíveis, como, por exemplo, tabelas IP/Ethernet/MPLS. Nesse sentido, a contribuição mais importante do paradigma do OpenFlow é a generalização do plano de dados – qualquer modelo de encaminhamento de dados baseado na tomada de decisão fundamentada em algum valor, ou combinação de valores, dos campos de cabeçalho dos pacotes pode ser suportado.

Figura 3 Cabeçalhos disponíveis no OpenFlow para a especificação de fluxos Figura 1 Arquiteturas de roteadores: modelo atual mainframe e modelo programável OpenFlow

De forma pragmática, a especificação OpenFlow (OPENFLOW, 2010) procura reutilizar as funcionalidades do hardware existente (por

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exemplo, Access Control List – ACL em switches e roteadores para implementar serviços como NAT, firewall e VLANs) através da definição de um conjunto simples de regras e das ações associadas: encaminhar, descartar, enviar para o controlador, reescrever campos do cabeçalho, etc. 1.2.1

Componentes

Basicamente, uma rede programável com OpenFlow consiste em equipamentos de rede habilitados para que o estado das tabelas de fluxos possa ser instalado através de um canal seguro, conforme as decisões de um controlador em software: 1.2.1.1

Tabela de fluxos

Cada entrada na tabela de fluxos do hardware de rede consiste em regra, ações e contadores. A regra é formada com base na definição do valor de um ou mais campos do cabeçalho do pacote. Associa-se a ela um conjunto de ações que definem o modo como os pacotes devem ser processados e para onde devem ser encaminhados. Os contadores são utilizados para manter estatísticas de utilização e para remover fluxos inativos. As entradas da tabela de fluxos podem ser interpretadas como decisões em cache (hardware) do plano de controle (software), sendo, portanto, a mínima unidade de informação no plano de dados da rede. 1.2.1.2

Canal seguro

Para que a rede não sofra ataques de elementos mal-intencionados, o canal seguro garante confiabilidade na troca de informações entre o switch e o controlador. A interface de acesso recomendada é o protocolo SSL (Secure Socket Layer). Interfaces alternativas (passivas ou ativas) incluem TCP e pcap (packet capture), e são especialmente úteis em ambientes virtuais e experimentais pela simplicidade de utilização, pois não necessitam de chaves criptográficas. 1.2.1.3

Protocolo OpenFlow

Protocolo aberto para comunicação que usa uma interface externa, definida pelo OpenFlow para a troca de mensagens entre os equipamentos de rede e os controladores. Essas mensagens podem ser simétricas (hello, echo vendor), assíncronas (packet in, flow removed, port status, error) ou, ainda, iniciadas pelo controlador (features, configuration, modify state, send packet, barrier). 1.2.1.4

criação de aplicações e serviços que gerenciem as entradas de fluxos na rede. Esse modelo assemelha-se a outros sistemas de software que proveem abstração do hardware e funcionalidade reutilizável. Dessa forma, o controlador OpenFlow atua como um sistema operacional (SO) para gerenciamento e controle das redes, e oferece uma plataforma com base na reutilização de componentes e na definição de níveis de abstração (comandos da API). Contudo, novas aplicações de rede podem ser desenvolvidas rapidamente (GUDE et al., 2008). A programabilidade do controlador permite a evolução em paralelo das tecnologias nos planos de dados e as inovações na lógica das aplicações de controle. A Figura 4 mostra uma abstração de uma rede com OpenFlow e o controlador NOX executando inúmeras aplicações que necessitam de uma visão do estado da rede (network view). Essa visão pode ser armazenada, por exemplo, em um simples banco de dados executado localmente ou em um servidor remoto.

Controlador

É o software responsável por tomar decisões e adicionar e remover as entradas na tabela de fluxos, de acordo com o objetivo desejado. O controlador exerce a função de uma camada de abstração da infraestrutura física, facilitando a

Figura 4 Elementos de uma rede OpenFlow

1.2.2

OpenFlow em ação

Quando um pacote chega a um equipamento com OpenFlow habilitado, os cabeçalhos do pacote são comparados às regras das entradas das tabelas de fluxos, os contadores são atualizados e as ações correspondentes são realizadas. Se não houver correspondência entre o pacote e alguma entrada da tabela de fluxos, o pacote é encaminhado, por completo, ao controlador. Alternativamente, apenas o cabeçalho é encaminhado ao controlador mantendo o pacote armazenado no buffer do hardware. Normalmente, os pacotes que chegam ao controlador correspondem ao primeiro pacote de um novo fluxo ou, em função do tipo de pacote e da aplicação, o controlador pode optar por instalar uma regra no switch para que todos os pacotes de determinado fluxo sejam enviados para o controlador para serem tratados individualmente. Esse último caso corresponde, em geral, a pacotes de controle (ICMP, DNS, DHCP) ou de protocolos de roteamento (OSPF, BGP). Como exemplo de fluxo, têm-se todos os pacotes

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em uma faixa de endereços IP ( roteamento IP tradicional), uma conexão TCP em uma porta específica ou, ainda, todos os pacotes pertencentes a uma mesma VLAN. As ações associadas aos fluxos incluem: a) encaminhar o fluxo de pacotes para determinada porta (ou portas); b) modificar os campos do cabeçalho; c) encapsular e transmitir o pacote para o controlador; d) descartar os dados, como medida de segurança, com a implementação de firewalls, ou ainda para inibir ataques de negação de serviço; e) encaminhar o pacote para o processamento normal do equipamento nas camadas 2 ou 3. O último item garante que o tráfego experimental não interfira no processamento-padrão do tráfego de produção. Conforme ilustrado na Figura 5, outra forma de garantir isso é definir um conjunto de VLANs para fins experimentais. Essa segmentação do tráfego permite ter equipamentos híbridos que processem tráfego legado conforme os protocolos e as funcionalidades embarcadas no equipamento e, ao mesmo tempo e de forma isolada, obter tráfego baseado na programabilidade do OpenFlow.

Figura 5 Modelo de operação híbrido com VLANs isolando tráfego legado e OpenFlow

Na versão 1.1 do protocolo OpenFlow (ainda sob especificação), está sendo considerado o suporte a múltiplas tabelas de fluxos concatenadas (Figura 6) mediante um novo conjunto de instruções (Go-to-Table, Write-Metadata), bem como novas ações (copy/decrement TTL, push/pop tag, QoS) e campos de cabeçalho (VLAN priority, MPLS label/traffic class, SCTP port) para uma definição ainda mais completa dos fluxos e do conjunto de ações associadas.

Figura 6 Diagrama detalhando o tratamento de um pacote no pipeline de um switch OpenFlow

1.2.3

Fatores críticos de sucesso

Existem quatro razões fundamentais que contribuem para a aceitação da tecnologia OpenFlow: a) o OpenFlow pode ser incorporado em equipamentos de rede (roteadores, switches, pontos de acesso Wi-Fi) comerciais, atualmente, em operação, sem modificação do hardware e mediante uma atualização do firmware, garantindo o desempenho de tecnologias consolidadas no encaminhamento de pacotes IP/Ethernet, como, por exemplo, ASICs, FPGAs, etc.; b) o protocolo OpenFlow separa o plano de controle do plano de dados, permitindo a utilização de controladores remotos baseados em servidores com sistemas operacionais e linguagens de programação comuns na indústria de TI. O software do controlador é responsável por definir o modo como os fluxos de pacotes são encaminhados e processados na rede. Isso permite que o controle sobre o plano de dados seja "terceirizado" a pesquisadores, sistemas de gerência, desenvolvedores, operadores de rede, plataformas de serviços e, até mesmo, às próprias aplicações finais, como, por exemplo, servidores de conteúdo ou serviços em nuvem. Dessa forma, o controle da rede deixa de estar embarcado nos equipamentos e limitado por implementações e padrões com mais de 15 anos de existência; c) o OpenFlow não dependente da forma como o software controla a rede, e oferece um simples serviço de encaminhamento multicamada (L1-L4) orientado a fluxos definidos por qualquer combinação de mais de 20 cabeçalhos-padrão. Uma rede OpenFlow permite a definição de fatias de rede (slices ou flow-spaces), com garantia de isolamento entre os diferentes controladores que operam sobre a rede, permitindo que o tráfego operacional (conforme os protocolos tradicionais) e o tráfego experimental (conforme definido pelo usuário/operador da rede) operem em paralelo; d) o OpenFlow é compatível com a Internet atual, cujo tráfego pode continuar em operação em uma ou mais fatias da rede OpenFlow. Todos os argumentos citados, anteriormente, apontam o OpenFlow como uma tecnologia inovadora que abre uma série de oportunidades de desenvolvimento tecnológico na área das redes de pacotes. Com a consolidação das tecnologias de equipamentos programáveis em software no padrão OpenFlow, ou tecnologias

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similares, o conceito de redes definidas por software envolve novos paradigmas de gerência integrada, inovação em protocolos e serviços baseados em recursos de redes virtualizados, como, por exemplo, Network as a Service (CHOWDHURY; BOUTABA, 2009; KELLER; REXFORD, 2010).

f) redes de ensino e pesquisa: infraestrutura de experimentação de novas arquiteturas de rede e paradigmas de encaminhamento de pacotes, compartilhamento de uma infraestrutura experimental multicamada, multidomínio e multitecnologia, validação sobre hardware comercial, etc.

1.3 Mercado e cenários de aplicação Os fatores apontados anteriormente e o potencial disruptivo da tecnologia OpenFlow têm atraído a atenção da indústria, o que tem se traduzido: a) no desenvolvimento dos primeiros protótipos com suporte ao OpenFlow (HP, NEC, Extreme, Arista, Ciena, Juniper, Cisco); b) no suporte dos fornecedores de processadores em silício (Broadcom, Marven); c) na criação de novas empresas (Nicira, Big Switch Networks); e d) no interesse de operadoras, como Deutsche Telekom e Docomo, e provedores de serviços em nuvem, como Google, Facebook e Amazon). Entre os vários cenários de rede em que a adoção da tecnologia OpenFlow traz aspectos promissores, vale destacar: a) redes corporativas: novos mecanismos de controle de acesso e segurança, gerência integrada de rede cabeada e sem fio, configuração de VLANs, suporte à mobilidade, etc. (CASADO et al., 2007); b) backbone: convergência de redes de pacotes e circuitos, (Figura 7), como, por exemplo, agregação e gerência dinâmica e flexível do tráfego, novos mecanismos de roteamento e engenharia de tráfego e recuperação de falhas; balanceamento do tráfego Web; mobilidade de máquinas virtuais; etc. (GUDLA et al., 2010); c) redes celulares: uso transparente de diversas redes de acesso (Wi-Fi/3G/WiMAX), separação do provedor de infraestrutura do provedor de serviços (por exemplo, virtual network operators), etc. (YAP et al., 2010); d) data center: técnicas de conservação de energia, engenharia de tráfego, roteamento plano e multicaminho, suporte à virtualização de hosts e software switches (KOPONEN et al., 2010); e) redes domésticas: terceirização (outsourcing) da gerência de rede, compartilhamento da rede com vários provedores de serviços e usuários, como, por exemplo, Open Wi-Fi, e gerência de energia com medidores inteligentes, como smart grid;

Fonte: GUDLA et al., 2010

Figura 7 Rede híbrida com switches TDM, WDM e roteadores IP controlados por OpenFlow (NOX), que implementa as funcionalidades em software

Arquitetura RouteFlow

O RouteFlow é uma proposta de oferta de serviços de roteamento IP remoto de forma centralizada, e que visa um desacoplamento efetivo entre o plano de encaminhamento e o plano de controle (ROUTEFLOW, 2011). O objetivo é tornar as redes IP mais flexíveis pela facilidade de adição, remoção e especialização de protocolos e algoritmos. O RouteFlow armazena a lógica de controle dos switches OpenFlow na infraestrutura de rede, através de uma rede virtual composta por máquinas virtuais (MV), cada uma executando um código (engine) de roteamento de domínio público (open source). Essas MVs podem ser interconectadas de maneira a formar uma topologia lógica, espelhando a topologia de uma rede física correspondente ou uma topologia virtual simplificada. O ambiente virtual é armazenado em um servidor externo, ou um conjunto deles, que se comunicam com os equipamentos do plano de dados através de um controlador OpenFlow, que transporta para o plano de encaminhamento as decisões tomadas pelos protocolos de roteamento no plano de controle (OSPF, BGP, RIP). A Figura 8 ilustra uma sub-rede com switches programáveis, em que a lógica de roteamento é implementada no servidor RouteFlow. O resultado consiste numa solução flexível de alto desempenho e comercialmente competitiva, a partir da combinação de recursos disponíveis, como, por exemplo: a) switches programáveis de baixo custo e software embarcado reduzido (OpenFlow); b) pilhas de protocolos de roteamento open source (QUAGGA, 2009; XORP, 2011); e

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c) servidor de prateleira de alto poder de processamento e, também, de baixo custo. Cabe ressaltar que, apesar de o controle estar fisicamente centralizado, ele continua distribuído logicamente. Dessa forma, não é necessária qualquer alteração dos protocolos de roteamento existentes. Além disso, a solução pode tornar-se mais escalável no futuro, com o uso de vários servidores de alto desempenho.

Figura 8 Visão geral do RouteFlow

2.1 Blocos funcionais Uma visão global dos principais componentes do RouteFlow pode ser observada na Figura 9. A seguir, apresenta-se a descrição de cada um dos componentes da arquitetura proposta.

Figura 9 Componentes da solução RouteFlow

2.1.1

RouteFlow-Slave (RF-S)

Cada MV do plano de controle executa um processo (daemon) responsável pelas seguintes funções: a) registrar a MV no controlador como recurso da topologia virtual, sendo que a MV se torna um recurso disponível para ser utilizado na representação de um roteador; b) gerenciar as interfaces de rede do sistema (portas do roteador); c) detectar as atualizações das tabelas Address Resolution Protocol (ARP) e de

roteamento do sistema; e d) converter rotas em fluxos a serem instalados no plano de dados por meio da API do OpenFlow. Pacotes de protocolos – e outros, cujos destinos sejam o próprio roteador – são encaminhados e recebidos pela MV para processamento (ARP, ICMP, Telnet, SSH, OSPF, RIP, etc.). Pacotes ARP e ICMP, por exemplo, são tratados pela pilha TCP/IP do Linux, enquanto pacotes de protocolos são utilizados pela engine de roteamento para cálculo de rotas. O processamento no caminho inverso ocorre do mesmo modo. Concomitantemente ao processamento de pacotes da MV, um mecanismo de polling executa a tarefa de verificar as tabelas ARP e ROUTE do sistema em busca de atualizações que devem ser reproduzidas no plano de dados. Quando atualizações são detectadas, as modificações correspondentes são convertidas na instalação ou remoção de fluxos da tabela do elemento de encaminhamento atribuído à MV. 2.1.2

RouteFlow-Controller (RF-C)

É o componente central da arquitetura proposta. Como o próprio nome sugere, trata-se de uma função de controle que conecta todos os elementos do plano de dados e as MVs do plano de controle. As principais funções do RF-C são: a) registrar-se no controlador de rede para eventos de recebimento de pacotes, conexão e desconexão de switches; b) registrar os recursos (MVs) disponíveis na topologia virtual; c) fazer a configuração do software switch para montar a topologia lógica da rede; d) gerenciar o mapeamento entre switches OpenFlow e MVs; e) instalar/remover fluxos OpenFlow dos switches do plano de dados. A vinculação das máquinas virtuais aos switches do plano de dados pode ser feita estaticamente através de um arquivo de configuração, que permite configurar uma topologia virtual independentemente da topologia física. Alternativamente, a configuração pode ser dinâmica, com base em um mecanismo de descoberta de topologia governado pelo controlador de rede. Nesse último caso, a rede virtual será uma réplica da topologia física. Outra possibilidade consiste em agregar um conjunto de nós físicos, como, por exemplo, switch stacking/trunking, em uma única MV no plano virtual, ou ter várias engines de roteamento atuando sobre um mesmo elemento físico – o que remete ao conceito de roteadores virtuais, em que múltiplos planos de controle com objetivos diferentes compartilham o mesmo substrato hardware de rede (CHOWDHURY; BOUTABA, 2009).

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2.1.3

RouteFlow-Protocol (RF-P)

Protocolo desenvolvido na arquitetura proposta para a comunicação entre os componentes do RouteFlow. Nele, estão definidas as mensagens e os comandos básicos para conexão e configuração das MVs e, também, gerenciamento das entradas de roteamento em hardware. Entre os campos da mensagempadrão estão: identificação do controlador, identificação da MV, tipo da mensagem, comprimento e dados. 3

Avaliação do protótipo RouteFlow

O RF-Controller foi implementado em C++ como uma aplicação do controlador open source NOX (2011). Como engine de roteamento, foi utilizado o Quagga (2009), uma conhecida solução de roteamento open source com suporte aos principais protocolos de roteamento (RIP, OSPF, BGP). Como plataforma para programação remota dos equipamentos de rede, utilizou-se a versão 1.0 da tecnologia OpenFlow, cuja vantagem é sua abordagem multifornecedor. Isso significa que ele não depende do fabricante e do modelo do equipamento que compõe a rede. Desde que haja suporte ao protocolo OpenFlow, não são necessárias mudanças no controlador nem nas aplicações de rede que executam sobre ele. A infraestrutura do plano de dados do protótipo é formada por NetFPGAs, que são hardware programáveis com quatro interfaces de rede Gigabit e com módulo OpenFlow. A escolha da plataforma NetFPGA se deu pela flexibilidade de programação do plano de encaminhamento e pela taxa de processamento de pacotes em Gigabits. Também foi usado o switch L2/L3 CPqD Enterprise, baseado em um ASIC da Broadcom com 24 portas de 1 Gbit/s e 2 de 10 Gbit/s. Devido ao número de equipamentos disponíveis com suporte ao OpenFlow, por se tratar de um ambiente real e não simulado, as redes testadas apresentam um número limitado de nós. Entretanto, a quantidade de nós é suficiente para uma avaliação de viabilidade da proposta, através da análise detalhada das trocas de mensagens e dos tempos relacionados à convergência da rede em caso de falha, como, por exemplo, o tempo de processamento das mensagens RouteFlow e OpenFlow. Essas mensagens não existem em uma arquitetura clássica de roteador com pilha de protocolos embarcada. 3.1 Tempo de convergência com tráfego line rate Para os testes de convergência, foi utilizado um gerador e um analisador de tráfego configurados para transmissão de pacotes IP de 1500 bytes em ambos os sentidos (full duplex), a uma taxa

de 1 Gbit/s. Dessa forma, garante-se que essa solução de roteamento remota sobre uma rede programável é capaz de operar com tráfego na taxa de transmissão da interface (line rate), uma vez que os pacotes são processados em hardware (ARGYRAKI et al., 2008). A Figura 10 apresenta um gráfico que mostra o tempo total de convergência da rede após falha de um enlace, utilizando o protocolo OSPFv3 configurado com o parâmetro hello time em 1 segundo. Esse é o principal parâmetro do protocolo diretamente relacionado ao tempo de detecção de falhas. O hello time foi configurado para 1, 5 e 10 segundos, correspondendo aos valores típicos da indústria, que apresentam default de 10 segundos em enlaces Ethernet. O dead interval utilizado foi o recomendado correspondendo a quatro vezes o hello time.

Figura 10 Tempo total de convergência (OSPF hello interval = 1 s)

Figura 11 Fragmentação do tempo de convergência (OSPF hello interval = 1 s)

Com o intuito de estudar os componentes que contribuem com o tempo total de convergência, foram realizadas análises das mensagens enviadas e recebidas pelo hardware OpenFlow para o controlador NOX. Nos resultados, está incluso o tempo gasto pelas mensagens para transitar entre o dispositivo de encaminhamento, o controlador e a MV. T1 pode ser obtido a partir do intervalo entre o instante em que ocorre a interrupção do tráfego e a primeira mensagem de LS-Update gerada pelo RouteFlow ao detectar a falha. Em seguida, leva-se T2 + T3 para que o RF-Slave inicie o envio da primeira mensagem de alteração de fluxo e, por último, T4 finaliza o processo com o restabelecimento do tráfego.

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Tabela 1 Tempos de convergência após falha Hello Time

T1 [s]

T2 + T3 [s]

T4 [s]

Ttotal [s]

OSPF

Tmed.

T90%

Tmed.

T90%

Tmed.

T90%

3,25

3,92 0,36

0,40

0,07 0,12 3,70

4,37

16,7

18,9 0,32

0,39

0,06 0,10 17,1

19,3

10 s

36,4

37,8 0,36

0,49

0,04 0,11 36,8

38,3

T90%

Na Figura 11 e na Tabela 1, apresentam-se os tempos conforme a fragmentação proposta anteriormente, em que cada um deles possui o valor de tempo abaixo do qual se encontram metade dos testes e o valor de tempo abaixo do qual se encontram 90% dos testes, num total de 20 repetições para cada uma das configurações. Conforme os dados apresentados, o tempo total de convergência é bem próximo de T1 (tempo de detecção da falha). Portanto, o tempo restante, gasto com o cálculo de rotas, detecção de modificações da tabela de roteamento pelo RF-Slave e instalação do fluxo tem pouco impacto no tempo de convergência. Apesar de T2 e T3 não terem sido analisados separadamente, sabe-se que o tempo de polling para verificar atualizações da tabela de roteamento e ARP do Linux é fixo em 100 ms, ou seja, da soma T2 + T3, T3 representa até 100 milissegundos, no pior caso. Vale ressaltar que foi utilizada a estratégia de polling por simplificação; no entanto, podem ser feitas otimizações para reduzir substancialmente T3. Uma opção seria fazer com que a aplicação se registrasse no Zebra (módulo central do Quagga) para receber notificações sobre a RIB. Dessa forma, a informação chegaria ao RF-Slave de forma muito mais rápida e eficiente. Dada a baixa representatividade dos tempos T3 e T4 sobre o tempo total, é razoável afirmar a viabilidade da solução RouteFlow no contexto proposto. 3.2 Encaminhamento em slow path e fast path Outra forma de se avaliar o impacto de uma pilha de protocolos de roteamento remota é comparar os tempos para os modos de encaminhamento de pacotes: slow path e fast path. A primeira forma de encaminhamento ocorre quando o roteador precisa se comunicar com um nó de uma rede diretamente conectada a ele, mas antes do aprendizado do endereço MAC do destino, necessário para o encaminhamento em hardware. O slow path normalmente ocorre com os nós que entraram na rede ou que ficaram sem comunicação por um longo período. Por essa razão, essa operação nos roteadores, apesar de necessária, é considerada de baixa relevância.

O fast path refere-se ao encaminhamento em hardware que ocorre após o aprendizado dos endereços dos nós e o preenchimento das tabelas em hardware. Portanto, em uma transmissão de dados, o slow path ocorre, quando necessário, apenas para o primeiro pacote, a partir do qual será realizado o aprendizado, sendo que o restante dos pacotes serão processados em line rate. Através desse teste, é possível avaliar a diferença de desempenho entre um encaminhamento por software e por hardware, de um roteador tradicional com protocolos embarcados, e do RouteFlow, com o plano de controle remoto. Foram realizados testes de PING (Internet Control Message Protocol – ICMP) entre dois hosts diretamente conectados a portas distintas, de um mesmo roteador, e configuradas em redes diferentes. No início, os hosts não têm conhecimento do endereço MAC dos gateways, e o roteador também não contempla ambos os hosts em suas tabelas. Após o aprendizado dos endereços, são obtidos os valores de fast path. Foram utilizados os seguintes switches layer 3: CISCO 3560-e Catalyst, Extreme x450-e, CPqD Enterprise (protótipo) e RouteFlow. Os resultados dos testes estão apresentados na Tabela 2. Foi observado nos testes com o RouteFlow que além do primeiro pacote ICMP request, o reply também é encaminhado no slow path em software. O motivo desse comportamento está relacionado principalmente aos 100 ms de polling para que as atualizações nas tabelas do Linux sejam detectadas. No momento da resposta ICMP, os fluxos ainda não estão instalados e o pacote precisa novamente ser direcionado ao controlador para ser, então, encaminhado por software. Portanto, é válido pensar em um tempo consideravelmente menor para esse teste, com uma otimização da forma com que o RF-Slave passa a ter conhecimento das atualizações, como exemplificado anteriormente. Outro ponto a ser destacado sobre o resultado de slow path, consideravelmente superior quando comparado aos dispositivos com software embarcado, é o desempenho do controlador OpenFlow (NOX) utilizado nos testes, cuja proposta é a de prover uma plataforma simples de desenvolvimento de aplicações de rede sem o compromisso de manter o foco em desempenho. Nesse sentido, já foram identificadas possíveis otimizações que devem trazer ganhos significativos no tempo de processamento das mensagens no controlador, como, por exemplo, tornar o controlador multitarefa, de forma a realizar o processamento paralelo das mensagens e, também, a implementação de mensagens que agreguem mais informação, resultando em um menor chaveamento de contexto da aplicação para processar cada

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pacote recebido. Em contrapartida, pode-se observar o melhor desempenho de fast path do RouteFlow, que é a forma de encaminhamento mais relevante. Nesse modo, a tabela de fluxos é encaminhada mais rapidamente, se comparado ao modo longest prefix match, que é utilizado nas tabelas de encaminhamento IP. Tabela 2 Tempo de resposta ICMP Equipamento

Slow path [ms]

Fast path [ms]

Tmed.

T90%

Tmed.

T90%

CISCO 3560-e C.

5,46

7,75

0,100

0,130

Extreme x450-e

11,30

14,00

0,106

0,141

CPqD Enterprise

14,20

17,30

0,101

0,147

RouteFlow

116,00

138,00

0,082

0,119

3.3 Discussão dos resultados e trabalhos futuros Os resultados alcançados na avaliação do protótipo sugerem o grande potencial do RouteFlow como solução de roteamento para redes de campus/corporativas, mediante o ganho de flexibilidade e o poder de inovação proporcionados. As questões pertinentes ao desempenho não inviabilizam a proposta, uma vez que já foram identificadas otimizações e outras melhorias decorrentes da maturidade do protocolo OpenFlow. Como em qualquer abordagem baseada em controladores centralizados, tornam-se desafios os aspectos de escalabilidade, resiliência a falhas e segurança. Vale a pena notar que a centralização do modelo OpenFlow é somente lógica. Não existe nenhuma restrição a uma implementação distribuída dos elementos controladores para atender aos requisitos de escala, desempenho e confiabilidade da rede. Esforços atuais no aprimoramento da arquitetura nesses aspectos incluem a distribuição do plano de controle virtual em múltiplos servidores, a adoção de técnicas avançadas de virtualização para o balanceamento e migração das MVs, e outras melhores práticas da programação de sistemas em nuvem (cloud computing) para tornar a plataforma escalável e tolerante a falhas (ex.: BD distribuída do tipo NoSQL, replicação do estado em controladores backup) (KOPONEN et al., 2010). Outros aspectos da proposta, que merecem considerações adicionais e são objeto de estudo, incluem o isolamento entre as MVs (FERNANDES et al., 2010) e a materialização do conceito de roteamento como serviço (KELLER; REXFORD, 2010). Dessa forma, pode-se obter topologias lógicas independentes sobre uma mesma rede, que executem protocolos distintos, resultando em uma abordagem de virtualização

com um melhor aproveitamento dos recursos da infraestrutura, que, agora, pode ser compartilhada com diferentes propósitos (CASADO et al., 2010). Outra questão pertinente é o gargalo observado nas implementações disponíveis do OpenFlow quanto ao tamanho da tabela de fluxos (entre 2 e 4 mil) e à capacidade de instalação de novas entradas por segundo (valor em torno de 100 fluxos por segundo). Essas limitações são transitórias e serão contornadas com o avanço das especificações. Por exemplo, a partir da versão 1.1 do protocolo OpenFlow é possivel expor e controlar as tabelas L2/L3 do hardware. Outras técnicas para reduzir o consumo das entradas em hardware incluem algoritmos que escolhem aquelas entradas mais utilizadas (SARRAR et al., 2010). Essas e outras questões encontram-se atualizadas na agenda de P&D do projeto (ROUTEFLOW, 2011). Conclusão O conceito de redes definidas por software – decorrente da disponibilidade de um protocolo aberto, como o OpenFlow – promete um modelo disruptivo de inovação tecnológica de potencial impacto nos cenários de convergência ampla (consolidação de planos de controle de redes heterogêneas) e de computação em nuvem (integração da rede com recursos de TI). Equipamentos de rede programáveis poderão servir de base para o início de um ciclo de inovação aberta e rápida, envolvendo pesquisadores, engenheiros e desenvolvedores de software da academia, dos institutos de ciência e tecnologia, dos fabricantes de equipamentos, das operadoras de telecomunicações e dos provedores de serviços de Internet. Essas inovações se darão tanto no âmbito dos controladores como das aplicações que são executadas nesses controladores. Por aplicações entenda-se algoritmos, protocolos, serviços e aplicações de controle e gerência de redes e serviços. Além disso, o movimento de inovação aberta, decorrente do modelo OpenFlow, poderá alavancar e induzir um grande desenvolvimento na área de redes e tecnologias da informação e computação de uma forma considerável, como ocorreu com os computadores pessoais com o advento dos sistemas operacionais DOS, do Windows, do Linux e da consolidação destes por meio de técnicas de virtualização que dominam, atualmente, o mundo das tecnologias da informação. Em resumo, os principais benefícios e impactos do advento da tecnologia OpenFlow incluem: 1. Capacidade de inovação (possivelmente aberta) em soluções de redes e serviços para os proprietários de infraestrutura, os provedores de serviços e a comunidade

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de pesquisa. Oportunidade para que novas empresas possam competir e inovar na área de aplicações avançadas para gerenciamento e controle de redes de pacotes. 3. Novos modelos de negócio que promovem redução de CAPEX e OPEX por meio de novos serviços – através da alocação dinâmica de fatias/recursos da rede, por exemplo – e de reaproveitamento de ativos – virtualização/consolidação. 4. Redução do custo de manutenção dos equipamentos, através, por exemplo, da incorporação de novos protocolos, da atualização do hardware do equipamento, etc. 5. Redução do tempo de implementação de novas funcionalidades nos equipamentos e de integração de soluções de redes especializadas às demandas do cliente final. 6. Simplificação e barateamento dos equipamentos de rede pela diminuição dos requisitos mínimos do software embarcado e das pilhas de protocolos proprietárias. 7. Consolidação dos planos de controle e da gerência de infraestruturas de rede, facilitando a migração para novos protocolos-padrão e tecnologias de rede de transporte. Como exemplo de inovação sobre redes programáveis com OpenFlow, foi apresentada a proposta do RouteFlow, que representa uma abordagem expansível (scale-out) para arquiteturas de redes de pacotes. Com o plano de controle externo ao dispositivo de rede, passa a existir maior independência entre esse plano e o de encaminhamento, de forma que ambos escalem e evoluam separadamente. Nesse sentido, o RouteFlow possibilita o surgimento de redes mais baratas e flexíveis, mantendo compatibilidade com redes legadas e apoiando uma evolução das redes em que a conectividade IP possa se tornar um produto (commodity) ofertado em um modelo de plataforma como serviço (KELLER; REXFORD, 2010) e a diferenciação dos serviços dos operadores possa se dar pelas potenciais inovações do paradigma de redes definidas por software. 2.

Agradecimentos Os autores agradecem o apoio dado a este trabalho, desenvolvido no âmbito do projeto “Arquitetura de Redes para Comunicações Móveis IP” que contou com recursos do Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações – FUNTTEL, do Ministério das Comunicações, através do Convênio nº 002/2007 com o Ministério das Comunicações.

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For some time we have seen the need for greater openness and flexibility of networking equipment, not only for research purposes, but also in search of in-house innovation. Today’s networking gear follows the model of computer mainframes, with closed software running on proprietary hardware. This approach results in expensive solutions and prevents equipment owners to put new ideas into practice. Advances in the standardization of OpenFlow as a hardware-independent, open protocol to control the networking gear of packet networks introduces the notion of software-defined networks, a new paradigm for innovation with a disruptive potential comparable to the emergence of operating systems in the computer and mobile device industries. This paper introduces the principles of OpenFlow and presents the RouteFlow as an example of innovative ongoing work on open-source routing services over commodity hardware. Key words: Packet networks. Routing. Switching. Free Software. Virtualization.

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Propriedade intelectual do CPqD Nesta seĂ§ĂŁo, sĂŁo apresentados os resumos dos pedidos de patentes depositados pelo CPqD no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI), no segundo semestre de 2010 e primeiro semestre de 2011.