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ESIME ZACATENCO
30 de enero de 2009
Autor: Miguel Sánchez Meraz
Diseño de una Arquitectura de Radio Cognitivo Basado en
una Plataforma de Radio Definido por Software
Proyecto SIP 20082229
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Diseño de una Arquitectura de Radio
Cognitivo Basado en una Plataforma de Radio
Definido por Software
Proyecto SIP 20082229
Resumen
El radio cognitivo es un nuevo paradigma dentro del ámbito de redes y sistemas de radiocomunicación. Este
tipo de radios son dotados de inteligencia para ofrecer a sus usuarios los mejores servicios de acuerdo a sus
patrones de uso, además de optimizar los recursos de radio disponibles y realizar una administración eficiente
del espectro. Toda esta inteligencia es dotada a partir de un trabajo de cómputo intenso tanto en la parte del
móvil como en la red y requiere de plataformas de hardware y software potentes y flexibles.
Esta investigación da seguimiento a los trabajos realizados sobre la tecnología de radio definido por software
(RDS) y en ella se definen las arquitecturas básicas de hardware y software para la implementación de un radio
cognitivo basado en una plataforma de RDS. Por otra parte también se establecerán las características
generales de una red de radio cognitivo que incluya su arquitectura, descripción de sus funciones principales y
panorama de aplicaciones.
La propuesta de este radio cognitivo se basa en el desarrollo de módulos de hardware y software para la
implementación de un radio GPS sobre dispositivos programables.
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INTRODUCCION
ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA DE RADIO COGNITIVA Y SUS
TENDENCIAS.
Los sistemas de Comunicación por Radio se encuentran en vertiginoso crecimiento, luego de un
periodo de peligrosa declinación a finales de los ochenta, gracias sobre todo al desarrollo sin
recedentes de la Telefonía Celular.
Pero la enorme velocidad con que se ha desarrollado la Telefonía Celular está causando problemas
de diverso tipo.
Para un lado, los Organismos Internacionales reciben fuertes presiones de los mercados para
establecer los estándares necesarios a tiempo, pero manteniendo la flexibilidad suficiente para
permitir la innovación tecnológica y la creatividad de los departamentos de I+D de las empresas;
mientras que de su parte, los operadores con intereses cada más “globalizados” y los fabricantes de
terminales desearían que los nuevos sistemas fuesen de aplicación universal, para evitar la
fragmentación del mercado y poder ofrecer un servicio utilizable en cualquier región del mundo.
Hasta ahora, estas exigencias han tenido un carácter contradictorio y los esfuerzos de
estandarización mundial han fracasado en buena parte.
Así como en su momento no fue posible establecer un único estándar de televisión en color
(ni dentro de aquella Europa del incipiente Mercado Común ni tampoco recientemente se ha podido
lograr un estándar único entre USA, Europa y Japón para la TV Digital Terrestre), en telefonía celular
de segunda generación (2G) el sistema utilizado en Europa y otros países (GSM) es incompatible con
el empleado en USA y demás países de su órbita de influencia tecnológica.
Inclusive dentro de USA, dado que la transición desde la telefonía analógica de primera generación
(1G) se ha realizado un poco mas tardíamente, compiten actualmente por el gran mercado
americano diferentes estándares digitales de 2G, también incompatibles entre si.
El problema se ha repetido con la próxima tercera generación (3G), lo cual nos llevaría a
sistemas incompatibles entre América y Europa durante buena parte de la década que comienza. Por
esta razón, se buscan desde hace tiempo soluciones técnicas que no requieran disponer de un
estándar común, el cual ya aparece cada vez más lejano. La solución más probable que comienza a
perfilarse recibe un nombre un poco genérico: Software Radio.
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Radio Definido por Software o Software Radio
Aunque no existe una definición oficial, inicialmente se denominaba así a “Sistemas de Radio
en los que la Interfaz Aire es configurable por Software”. Actualmente el término se ha generalizado
más y se denomina así a un sistema de “Radio cuya funcionalidad es reconfigurable por Software”.
La reconfiguración del terminal de radio podría hacerse mediante telecarga a través de la propia
comunicación vía radio o por cualquier otro medio (por ejemplo mediante tarjetas de memoria). La
misma filosofía puede aplicarse a otros equipos, tales como las estaciones base de telefonía móvil o
en los sistemas de Radio PMR (Private Mobile Radio).
Pero es en la propia funcionalidad del terminal telefónico donde se manifiesta la gran
flexibilidad y el interés de este concepto.
Es cierto que un sistema de telefonía celular se compone no solo de terminales de usuario sino que
incluye una gran infraestructura fija compuesta de estaciones base y concentradores junto con la red
de interconexión y conmutación. Pero el numero de terminales de usuario se cuenta ya en cientos de
millones (>200 si contamos solamente GSM), por lo que cualquier cambio que requiera sustituir los
terminales tiene un gran impacto.
De hecho, un usuario europeo que desee estar al día en la tecnología ya se habrá visto
obligado a cambiar de terminal unas cuatro veces en los últimos 6 años: del analógico al digital GSM
(2G), luego del terminal WAP (Wireless Application Protocol), posiblemente al GPRS (General Packet
Radio Service) y después al UMTS (3G).
Actualmente se considera que la reconfigurabilidad debiera alcanzar a todas las capas de la pila OSI
(una estructura jerárquica de 7 capas que define los niveles de operación y su interrelación), desde
la capa de aplicación pasando por la de enlace de datos y el control de acceso del medio hasta la
capa física (interfaz aire).
Pero no es solo la telefonía celular la que impulsa el desarrollo del Radio Software. Las
aplicaciones Militares y de Defensa son también áreas de máximo interés, ya que la tecnología
avanza más rápido de lo que sería óptimo para el tiempo de adaptación de estas grandes
estructuras y al hecho de que los ejércitos modernos son cada vez menos homogéneos (más
“multinacionales”, para decirlo de otro modo).
Para comprender mejor las dificultades existentes en la aplicación práctica de esta
tecnología, haremos una muy breve introducción a la arquitectura general de un sistema de radio y
sus conceptos básicos, así como a los probables requerimientos de capacidad de proceso y el
estado actual de la técnica de semiconductores junto con su proyección a 10 años.
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Arquitectura de un sistema transceptor (transmisor – receptor) de radio.
La figura 1 muestra un esquema en bloques típico de un transceptor:
Figura 1. Diagrama a bloques de un transceptor
Como sabemos, la transmisión de la información se realiza mediante ondas
electromagnéticas que son transmitidas por el medio físico (la atmosfera y otros medios no
conductores). El elemento que realiza la adaptación desde el medio electrónico en el que se generan
estas ondas al medio en el que se propagan (y viceversa en el punto de recepción) se denomina
Antena. Y puede considerarse un adaptador de impedancia al medio de trasmisión.
Front End de RF.
El transceptor cuenta con dispositivos electrónicos de estado solido que procesan el nivel de
las señales para que sea adecuado a la función que les precede o les sigue. Esta función de
adaptación de nivel se realiza en el bloque “Front End de RF” (Cabezal de Radiofrecuencia). En este
módulo, las señales se procesan a la frecuencia de transmisión/recepción, del orden de 1,000 MHz
en el caso de telefonía GSM. En el lado de la transmisión, se produce una amplificación de la señal
entregada por las etapas anteriores hasta el nivel de potencia suficiente para su transmisión por el
medio físico. Este nivel de potencia es del orden de 1 Vatio (de 0.1W a 10W, aunque depende
mucho del sistema de que se trate). En telefonía GSM es el orden de 2W como máximo (+33 dBm).
Conviene recordar que el dBm es una unidad logarítmica de potencia definida por Pot(dBm) = 10*log
Pot(mW)/1 mW, por lo que 0 dBm = 1 mW; 30 dBm = 1000 mW = 1 W; -30 dBm = 0.001 mW, etc.
En la recepción, la señal se recibe con una gran atenuación (por ejemplo, -60 dBm) y su nivel
debe incrementarse miles de veces y sin agregar demasiado ruido, antes de poder procesarla en los
circuitos siguientes del receptor.
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Bloque de Frecuencia Intermedia.
La mayor parte de la amplificación en recepción se produce a una frecuencia inferior,
llamada frecuencia intermedia. En este caso el Front End RF realiza una conversión o adaptación de
frecuencias (de hecho una reducción de la frecuencia recibida a un valor más manejable). Por
razones similares, también se procesa la señal del lado de la transmisión a una frecuencia inferior
para luego convertirla al valor final y amplificarla hasta el nivel de aplicación a la antena. El bloque
de frecuencia intermedia cumple estas funciones.
Oscilador local.
Genera las frecuencias apropiadas para convertir la frecuencia intermedia en la frecuencia
de trabajo, mediante una mezcla alineal que produce frecuencias suma diferencia. Se selecciona la
frecuencia deseada mediante filtros analógicos para su amplificación en los amplificadores de
frecuencia intermedia correspondientes.
Conversión Analógica – Digital y Digital – Analógica.
Puesto que la transmisión por el medio físico se realiza mediante señales analógicas pero el
procesamiento en el transceptor es de índole digital, se requiere una conversión analógica – digital
en el receptor y digital – analógica en el transmisor.
Modulador/Demodulador.
Para que pueda transmitirse una información útil mediante la onda electromagnética que se
propaga, es necesario imprimir de algún modo esta información sobre la onda transmitida (a veces
llamada por esta razón “portadora”). Esto se logra modificando alguno de los parámetros que la
definen de acuerdo con el valor de la información a transmitir. Este proceso se denomina
modulación (y la correspondiente recuperación de la información “demodulación”). El bloque que
realiza ambas funciones se abrevia como “MODEM”.
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Estas funciones son actualmente muy complejas y totalmente digitales. Podemos afirmar que
la gran evolución de los sistemas de radio (y también de otra áreas de telecomunicaciones), se ha
producido por el gran avance que sobre los procesos de modulación/demodulación ha permitido la
creciente capacidad de proceso digital de las señales.
En los sistemas modernos, la capacidad de separar las diferentes señales recibidas de modo
de procesar solo la que se desea está también incluida en el MODEM, mediante funciones de filtrado
digital muy eficientes y complejas. Lo parámetros que se modifican para que la onda transmita
información útil son típicamente la frecuencia o la fase/amplitud de la señal, utilizando
modulaciones de múltiples niveles denominadas “en cuadratura”: m-QAM, m-PSK, etc.
TDMA vs. CDMA
Los sistemas de telefonía celular deben dar servicio a un gran número de usuarios
simultáneamente, disponiendo al mismo tiempo de relativamente poco espectro radioeléctrico (el
conjunto de diferentes frecuencias que pueden utilizar un sistema determinado para transmitir sus
ondas electromagnéticas). El proceso de permitir la coexistencia de varios usuarios que comparten
los mismos recursos radioeléctricos se denomina acceso múltiple.
Según el método empleado, se denomina TDMA (Time Division Multiple Access) o CDMA
(Code Division Multiple Access). El FDMA (Frequency Division Multiple Access) solo se utiliza en GSM
2G para separar el sentido de transmisión del de recepción. Otro procedimiento de separación Tx/Rx
es el TDD (Time Division Duplexing), ya empleado en los teléfonos inalámbricos de interior con
tecnología DECT (Digital European Cordless Telephony).
De una manera muy simplificada diremos que en TDMA, a cada usuario se le asigna una
“ranura” temporal, durante la cual se transfiere la información que le corresponde. Los demás
usuarios no pueden transmitir hasta que les toca su propia ranura (slot). El proceso es similar en
recepción.
En CDMA, todos los usuarios transmiten simultáneamente, pero ocupando una “ranura” de
frecuencia en el espectro radioeléctrico por un tiempo muy corto y siguiendo una secuencia diferente
para cada uno de ellos. El receptor conoce esta secuencia y esta sincronizado con la transmisión,
por lo que es capaz de recuperar la información transmitida por el usuario con el que está en
comunicación.
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Incompatibilidad de los sistemas.
Históricamente TDMA fue el primero en desarrollarse y es una técnica my madura y conocida.
Es el sistema empleado por GSM 2G y evidentemente ha tenido un éxito fenomenal. Existe también
otro sistema TDMA (ANSI – 136) pero que no es GSM y que tiene su propio camino hacia 3G.
El CDMA es mas reciente y es uno de los sistemas adoptados en USA para la transición de la
telefonía celular analógica a la digital. Presenta algunas ventajas técnicas claras, especialmente
cuando la propagación de la onda electromagnética esta perturbada (o sea, casi siempre).
La confrontación técnico – política/económica no se hizo esperar y ha durado varios años, si
bien los sistemas GSM 2G parecen haber triunfado comercialmente, al menos en cuanto a cantidad
de usuarios. Pero para la 3G, los caminos a seguir en cada región (TDMA o CDMA) son diferentes y
lamentablemente nuevamente incompatibles. La figura 2 muestra los caminos por los que
evolucionarán los actuales sistemas 2G:
Figura 2. Caminos de evolución de los sistemas actuales 2G
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Ventajas del Radio Definido por Software
Ante estas perspectivas un poco sombrías, veamos como puede ayudar el Software Radio a
facilitar la vida a usuarios, operadores y fabricantes.
Las tres áreas conflictivas principales en las que la aplicación de las técnicas Software Radio
pueden aportar soluciones son:
La transición gradual de 2G a 3G en zonas con un estándar único (Europa).
La diferenciación de los servicios entre operadores que compiten por un mismo mercado.
La incompatibilidad de los estándares de tercera generación, como ya vimos.
La posibilidad de conservar y utilizar el mismo terminal en Europa y en USA solo será posible
con el desarrollo de modelos multiestándar. Estos sistemas podrían desarrollarse multiplicando los
circuitos en silicio, de modo de disponer de los necesarios para cada estándar. Ésta es la solución
empleada hasta ahora en los terminales GSM multibanda. Pero en 3G esta solución podría ser muy
costosa y compleja. Nuevamente la reconfiguración del terminal por SW seria muy conveniente.
La aplicación de la filosofía SW Radio en un terminal.
La figura 3 muestra el esquema ideal de un receptor configurable por SW (el transmisor
seguiría un esquema simplificado similar):
Figura 3. Diagrama a bloques ideal de un receptor basado en una arquitectura de SDR.
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La tecnología actual de integración de circuitos nos presenta dos soluciones, que podríamos
considerar enfrentadas: la utilización de circuitos ASIC (Application Specific Integrated Circuits) de
altísima integración, bajo consumo y relativamente económicos pero con una funcionalidad fija, por
un lado y por otra parte, los circuitos DSP (Digital Signal Processing) que son totalmente
programables pero todavía sufren limitaciones de velocidad, consumo excesivo y precio elevado.
El desarrollo de las técnicas de Software Radio está fundamentalmente ligado a la
posibilidad de sustituir los ASIC’s por DSP’s y desarrollar las herramientas necesarias (arquitecturas,
lenguajes, librerías, protocolos, etc.) para su programación rápida y eficiente.
Veamos ahora cuales son las funciones del transceptor en las que podrían aplicarse las
técnicas de Software Radio:
Antena.
Aunque se trata de un elemento generalmente pasivo, es posible utilizar sistemas activos para
configurar dinámica y adaptativamente lóbulos de radiación múltiples (zonas espaciales donde la
emisión/recepción es máxima). Esta técnica se denomina también “Multiplexación Espacial” y
permite aumentar la capacidad del sistema mediante una reutilización más densa de las frecuencias
disponibles. Se trata de una posible aplicación para las Estaciones Base y difícilmente aplicable a los
móviles.
Front End RF y Frecuencia Intermedia.
Esta parte del transceptor tiene un gran interés para la reconfiguración por software, debido a la
multiplicidad de estándares y bandas de frecuencia de la interfaz aire. Si embargo, es también la
parte de más difícil implementación debido a las muy altas frecuencias empleadas. Por esta razón,
se piensa que en una primera etapa, no será práctico digitalizar esta sección que continuará siendo
analógica hasta que la tecnología de los DSP permita operar directamente a la frecuencia de antena.
Se esperan sin embargo mejoras en la tecnología de la circuitería RF para operar en banda ancha y
poder cubrir más de una banda de trabajo con un único bloque de RF.
MODEM / Banda Base.
Esta sección es sin duda la más prometedora y la que concentra casi todas las funcionalidades de
interés para un sistema reconfigurable por software. Es también la más compleja y aunque opera a
frecuencia más reducida, las dificultades de implementación son importantes.
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La arquitectura más probable en una primera etapa probablemente incluirá un “núcleo” basado en
DSP poderoso pero que deberá estar soportado por circuitos aceleradores especializados, que
inicialmente podrían ser ASIC.
Una configuración de este tipo impondría algunas limitaciones a la reconfigurabilidad del sistema,
que se superarían en una segunda etapa cuando los DSP (o la técnica que los substituya) hayan
evolucionado lo suficiente.
Figura 4. ASIC vs. DSP
Una de las funciones que será necesario implementar es la operación con distintas
velocidades de reloj, según el estándar utilizado en cada momento. Se trata de evitar la multiplicidad
de relojes hardware de alta precisión en el terminal, una solución sencilla pero costosa y cerrada (no
evolucionable). Un procedimiento elegante es el denominado Conversión de la Tasa de Muestreo
Digital SRC (Digital Sample Rate Conversion). El problema de la conversión de la tasa de muestreo
no es un problema trivial de interpolación, ya que toda la información presente en la señal original
debe mantenerse en la señal convertida, en un ancho de banda determinado y reducido. Otro
problema a resolver es el desarrollo de lenguajes adecuados y una plataforma SW que permita la
gestión de las telecargas a terminales de distintos fabricantes desde las estaciones base de los
distintos operadores y en regiones geográficas diferentes. Varios trabajos actuales de desarrollo se
orientan hacia una plataforma middleware especializada y a extensiones de JAVA/JINI. Otros se
orientan hacia la utilización de CORBA (Common Object Resource Broker Architecture) y otros varios
(IN, TINA, ICEBERG, MASE).
Las limitaciones anteriormente descritas forzarán la adopción de soluciones intermedias y
una evolución gradual hacia la digitalización progresiva del transceptor, a medida de la capacidad de
proceso de los DSP lo hagan posible.
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El diagrama de la figura 5 muestra el esquema de un receptor híbrido, realizable con la
tecnología actual:
Figura 5. Diagrama a bloques de un receptor híbrido.
Evolución de la tecnología de los semiconductores.
Como decíamos anteriormente, el desarrollo de esta tecnología depende mucho de la
disponibilidad y el coste de los dispositivos DSP, los cuales se encuentran en plena evolución. La
tabla 1 muestra la previsión de la evolución de las capacidades de los núcleos DSP y RISC en
tecnología CMOS, desde 1997 hasta el 2012 (Fuente: Semiconductor Industry Association, USA).
Tabla 1. Evolución de las capacidades de los nucleos DSP y RISC en tecnologia CMOS.
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La tabla 1 fue preparada en 1998 por la Asociación de Fabricantes de Semiconductores de
USA y en algunos aspectos ha sido superada por la evolución tecnológica. Nos muestra sin embargo
algunas de las dificultades a superar para poder aplicar los DSP en circuitos de lata frecuencia, tal
como los requeridos para las etapas RF Front – End o en la modulación/demodulación sin
conversión de frecuencia (sistemas sin Frecuencia Intermedia).
De especial dificultad será el aumento de la capacidad de proceso (MIPS) en por lo menos un
orden de magnitud, sin penalizar excesivamente el consumo de energía del DSP ni su coste de
fabricación.
El Software Radio es una tecnología muy prometedora que permitirá superar las limitaciones
resultantes de la incompleta y parcialmente malograda estandarización internacional actual, que
está resultando en una multiplicación de estándares incompatibles.
Sin embargo, las dificultades técnicas, particularmente la resolución de la ecuación
conflictiva Capacidad de Proceso – Consumo de Energía – Precio son lamentablemente muy
importantes.
Por esta razón no parece probable que se introduzcan soluciones de Sistemas totalmente
configurables por software a tiempo para el despliegue comercial de la telefonía 3G, aunque es de
esperar que sí se aplique parcialmente.
Los motores principales de esta tecnología serán:
El mercado de la telefonía celular 3G.
Las aplicaciones militares (Radios tácticas absolutamente multiestándar).
Una vez establecido y afianzado el nuevo paradigma en los terminales de aplicación civil, se
abrirá un nuevo campo de aplicación cuyos alcances, como veremos a continuación, son
inquietantes y difíciles de precisar, pero que comienzan a ser explorados con el nombre genérico de
“Radio Cognitiva”.
Al poder integrar en el terminal una gran capacidad de proceso y permitirle que se
autoconfigure para adaptarse a las condiciones requeridas por la red a la que decida conectarse (el
terminal, no el usuario), nada impide como una opción atractiva, la autopersonalización del terminal.
De este modo, más y más conocimiento sobre las preferencias, deseos y costumbres del
usuario podrán estar disponibles para supuestamente facilitarle las cosas a éste, pero también para
una (posiblemente) excesiva y posiblemente incontrolada explotación comercial de esta información.
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Sin duda será difícil el poder determinar en que grado el terminal telefónico, utilizará en
nuestro propio y exclusivo beneficio el copioso conocimiento que sobre nosotros podrá obtener con
mucha facilidad, (no olvidemos que ya en 3G el terminal podrá servir como teléfono, PDA u
ordenador personal, navegador por la WEB, mini-televisor, reproductor de MP3, posicionador GPS,
etc.). O si por el contrario su actividad constituirá una nueva intromisión en nuestra vida privada y un
serio ataque a nuestro derecho a la privacidad. No olvidemos tampoco que a partir de la 3G, por
primera vez tendremos acceso a tiempo completo a un terminal multifunción, muy “inteligente” al
que no se le escapará casi nada de lo que hacemos, ni siquiera dónde nos encontramos en cada
momento. Será un terminal capaz de albergar Agentes Software Inteligentes, con comunicación
instantánea (y porqué no, a veces secreta), con las redes inmensas y totalmente opacas de los
grandes operadores, que se han disputado ferozmente y a punta de miles de millones, la posibilidad
de darnos servicio pero también de acceder a una información universal y con un potencial
comercial muy valioso.
Falta ver, en todas estas cosas, qué queremos y qué permitimos los usuarios.
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DESARROLLO DE UNA PROPUESTA PARA ARQUITECTURA DE
HARDWARE PARA RADIO COGNITIVA
Como se menciona en las líneas anteriores las radio cognitiva es un paradigma de la
comunicación inalámbrica en la cual tanto las redes como los mismos nodos inalámbricos cambian
los parámetros particulares de transmisión o de recepción para ejecutar su cometido de forma
eficiente si interferir con los usuarios autorizados. Esta alteración de parámetros esta basado en la
observación de varios factores del entorno interno y externo de la radio cognitiva, tales como el
espectro de radiofrecuencia, el comportamiento del usuario y el estado de la red.
La idea de la radio cognitiva fue presentada oficialmente por primera vez en el articulo de
Joseph Mitola III y Gerald Q. Maguire Jr. Era una nueva forma de abordar la comunicación
inalámbrica que más tarde Mitola III describió como:
“el punto en el cual los PDA inalámbricos y las redes relacionadas con en términos computacionales
lo suficientemente inteligentes con respecto a los recursos de radio y las correspondientes
comunicaciones de ordenador a ordenador como para detectar las necesidades de comunicación del
usuario como una función del contexto de uso y proporcionar los recursos de radio y servicios
inalámbricos más adecuados a sus necesidades”.
Fue concebida como un punto de llegada hacia el cual debería evolucionar una plataforma
de Radio Definido por Software. Una terminal inalámbrica totalmente reconfigurable de “caja negra”
que cambia sus funciones de comunicación dependiendo de las demandas de la red y/o los
usuarios. Por otro lado, los corporativos legislativos de varios países (como la Comisión Federal de
Telecomunicaciones en Estados Unidos) encuentran que la mayor parte del espectro de
radiofrecuencia estaba siendo ineficientemente utilizado. Por ejemplo, las bandas de la red celular
están sobrecargadas en la mayor parte del mundo, pero la banda de radioaficionados o las
frecuencias de paginación no confirmaban tal observación (llevada a cabo por estudios
independientes en algunos países y que concluyen que la utilización del espectro fija provoca que las
frecuencias raramente usadas, asignadas a servicios específicos, no puedan ser usadas por
usuarios no autorizados, incluso si la transmisión de estos no introduce ninguna interferencia en
este servicio previamente desocupado. Esta era la razón que motivaba a usuarios no legitimados a
utilizar bandas sujetas a autorización, asumiendo que no provocaría ninguna interferencia (evitando
de ese modo las bandas reservadas al detectar usuarios legítimos). A este paradigma de la
comunicación inalámbrica también se le denomina Radio ([Cognición|Cognitiva].
Distinguimos muchos tipos de radios cognitivas dependiendo de razones históricas y del
conjunto de parámetros que se tienen en consideración a la hora de tomar decisiones sobre la
alteración de la transmisión y/o recepción. Las dos principales son:
Radio cognitiva completa (“radio de Mitola”): en la cual cualquier parámetro observado en un nodo
inalámbrico y/o una red se tiene en cuenta a la hora de tomar decisiones sobre el cambio de
parámetros de transmisión y/o recepción.
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Radio cognitiva detectora del espectro: éste es un caso especial de la radio completamente cognitiva
en la cual solo se observa el espectro de radiofrecuencia.
Además, dependiendo de las partes del espectro disponible para la radio cognitiva podemos
distinguir:
Radio cognitiva de banda bajo licencia: cuando la radio cognitiva es capaz de usar bandas asignadas
a usuarios bajo licencia, además de la utilización de bandas de libre uso como la banda UNII o la
banda ISM. Uno de los sistemas similares a la radio cognitiva de banda bajo licencia es la
especificación IEEE 802.15 Grupo de Trabajo 2.
Radio cognitiva de banda de libre acceso: cuando la radio cognitiva solo puede utilizar las partes de
libre acceso del espectro de radiofrecuencia. Un ejemplo de este tipo de radio es la IEEE 802.19.
Aunque inicialmente la radio cognitiva se pensó como una ampliación de la Radio Definida
por Software (radio cognitiva completa) la mayor parte del trabajo de investigación actualmente se
centra en la radio cognitiva detectora del espectro – particularmente la utilización de bandas de TV
para la comunicación. El problema esencial de la radio cognitiva detectora del espectro es el diseño
de dispositivos detectores de alta calidad y algoritmos para intercambiar los datos de detección del
espectro entre nodos.
Algunas de las aplicaciones de la radio cognitiva detectora de espectro incluyen las redes de
emergencia y el aumento de la capacidad de las WLAN así como la ampliación de la distancia de la
transmisión.
Figura 6. Linea del tiempo en tecnología. Sinergía entre muchas tecnologías convergentes para
habilitar en SDR. En cambio, el SDR viene a ser la plataforma para construir un radio cagnitiva.
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Un SDR es un radio en el cual las propiedades de frecuencia portadora, ancho de banda de la señal,
modulación y acceso a la red son definidos por software.
Hoy en día, un moderno SDR también implementa algún método criptográfico necesario, envío de
corrección de errores en la codificación y codificación de la fuente de voz, video, o datos también en
software.
Hoy en día, un SDR, en contraste es un dispositivo de propósito general en el cual el mismo
sintonizador de radio y procesadores son usados para implementar diversas formas de onda y
muchas frecuencias.
Todo esto ha venido junto mientras llegamos a la era de la radio cognitiva.
SDR Básico:
Procesadores de semiconductores, DSP, arquitecturas A/D y D/A.
Desarrollo de herramientas para procesamiento de señales y procesamiento matemático.
Codificación de la fuente de algún discurso, de las imágenes, del video y de datos.
Tecnologías DSP
La última Radio Cognitiva:
Protocolos y etiquetas de Radio Cognitiva.
Infraestructura de red para Radio Cognitiva.
Lenguajes AI y reconocimiento de bases de datos.
Interconexión inalámbrica.
Soporte regulatorio.
Estandarización de la arquitectura de Radio Cognitivo.
Modelo comercial de Radio Cognitivo.
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Arquitectura básica en software de un Radio Cognitivo
Se definen API (Interfaz de Programación de Aplicaciones) estandarizadas para que las interfaces
principales aseguren portabilidad de software a través de muchas y diferentes implementaciones en
una plataforma de hardware, así como para asegurar que la infraestructura básica en software
soporta una amplia diversidad de las aplicaciones de forma de onda sin tener que reescribir para
cada forma de onda o aplicación. El software tiene la capacidad de asignar recursos de cómputo a
las formas de onda específicas. Es normal que un SDR soporte muchas formas de onda para
interconectar muchas redes, y así tener una librería de formas de onda y protocolos.
API: Es el conjunto de funciones y procedimientos que ofrece cierta biblioteca para ser utilizado por
otro software como una capa de abstracción. Una API representa una interfaz de comunicación entre
componentes de software.
BIST: Built-in self-test (Auto-Prueba Incorporada)
CORBA: Common Object Request Broker Architecture (Arquitectura Común de intermediarios en
peticiones a objetos). Es un estándar que establece una plataforma de desarrollo de sistemas
distribuidos facilitando la invocación de métodos remotos bajo un paradigma orientado a objetos.
HW: Hardware
MAC: Control de Acceso al Medio.
OS: Sistema Operativo.
PHY: Capa física.
POSIX: Interfaz de Sistema Operativo Portable.
WF: forma de onda.
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Arquitectura básica en hardware de un Radio Cognitivo
La arquitectura básica en hardware de un moderno SDR mostrada en la figura 8 proporciona
suficientes recursos para definir la frecuencia portadora, ancho de banda, modulación, alguna
criptografía necesaria, y codificación de la fuente en software. Los recursos de hardware puede
incluir mezclas de GPP, DSP, arreglo de compuertas de campo programable (FPGA) y otros recursos
computacionales, suficientes para incluir un amplio rango de tipos de modulación.
A/D: Analógico a digital.
AGC: Control de ganancia automático (automatic gain control)
D/A: Digital a analógico.
Frecuencia intermedia. se obtiene de la mezcla de la señal sintonizada en antena con una
frecuencia variable generada localmente en el propio aparato mediante un oscilador local (OL) y que
guarda con ella una diferencia constante. Esta diferencia entre las dos frecuencias es precisamente
la frecuencia intermedia.
LNA: amplificador de bajo ruido.
RF: Radio frecuencia.
Figura 8. Arquitectura básica en hardware de un radio cognitivo.
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Tecnología permitida en un Radio Cognitivo.
El desarrollo de amplificadores de potencia de banda ancha, sintetizadores, y convertidores
analógico – digital (ADC) esta proporcionando una nueva clase de radios: el radio definido por
software (SDR) y su software y el radio cognitivo.
El SDR exhibe control de software sobre una variedad de técnicas de modulación y formas de onda.
Los Radio Software específicamente implementan el procesamiento de la forma de la señal en
software. Adicionalmente, el radio esta construido con una RF front-end, un down-converter a una
frecuencia intermedia (IF) o banda base, un ADC, y un procesador.
Capacidades de un Radio Cognitivo.
Un radio cognitivo agrega una detección y un elemento de adaptación al software definido y a los
radios por software.
Cuatro nuevas capacidades son introducidas en los radios cognitivos que ayudaran a permitir el uso
dinámico del espectro:
Flexibilidad. Es la habilidad de cambiar la forma de onda y la configuración del dispositivo.
Agilidad. Es la habilidad de cambiar la banda espectral en la cual un dispositivo operara.
Detección de RF. Es la habilidad de observar el estado del sistema, el cual incluye la señal de radio y
mas importante, el ambiente.
Interconexión. Es la habilidad de comunicarse entre múltiples nodos y así facilitar combinación de
detección y capacidad de control de esos nodos.
Definiciones propuestas por la ITU.
Radio Definido por Software (SDR). Es un radio que incluye un transmisor en el cuál los parámetros
de operación como el rango de frecuencia, tipo de modulación o máxima potencia de salida (radiada
o conducida), o las circunstancias bajo las cuales el transmisor opera pueden ser alteradas haciendo
un cambio en software sin realizar algún cambio a los componentes de hardware que afectan las
emisiones de RF.
Radio Cognitivo. Es un radio o sistema que tiene sentido y es consciente de su ambiente operacional
y puede ser formado dinámicamente y autónomamente ajustando sus parámetros de operación
acordados para el radio. [Es necesario observar que “cognitivo” no necesariamente implica
depender de software. Por ejemplo, la telefonía sin cables (no software) por mucho tiempo ha sido
capaz de seleccionar el mejor canal autorizado basándose en la disponibilidad relativa del canal].
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INVESTIGACIÓN SOBRE ALGORITMOS UTILIZADOS EN EL
SEGUIMIENTO DE FRECUENCIA Y FASE EN SEÑALES DE SISTEMAS DE
ESPECTRO DISPERSO
El seguimiento de la señal (en nuestro caso GPS) necesita de la información de la adquisición
para iniciar su funcionamiento. El seguimiento de la señal es el proceso en el que un receptor
sincroniza la señal GPS. Si la estimación de la adquisición está disponible, el proceso (o lazos) de
seguimiento sincroniza el código y la portadora generados localmente con la señal recibida. Los
lazos de seguimiento entonces quitan el código y la portadora para leer los datos de navegación,
también proporciona información crítica del tiempo usado para el cálculo de la posición.
El propósito principal del seguimiento de la señal GPS es refinar los valores ordinarios de la
fase del código y la frecuencia así como no perder de vista estos pues las características de la señal
cambian sobre el tiempo. La exactitud del valor final de la fase de código está conectada con la
exactitud de los datos de navegación calculados después. El seguimiento contiene dos partes,
seguimiento de código y seguimiento de portadora en frecuencia/fase. El seguimiento debe de
ejecutarse continuamente para conocer los cambios en frecuencia en función del tiempo. Si el
receptor pierde la pista de un satélite, se debe realizar una nueva adquisición para ese satélite en
particular.
Después de la adquisición, los parámetros de frecuencia y desplazamiento del código
de una señal de satélite son aproximadamente conocidos. Otro de los propósitos del seguimiento
además de los ya mencionados es proporcionar una estimación de los pseudorangos. El código
pseudorango identifica al satélite que está enviando la señal, en otras palabras transmite la
identificación del satélite. Nos referimos a los satélites mediante su PRN (Número pseudorango) del
1 al 32, éste es el número que aparece en la unidad de GPS para indicar de que satélites se
encuentra recibiendo información.
La figura 10 muestra el esquema usado para demodular la señal de entrada para
obtener el mensaje de navegación. Primero, la señal de entrada es multiplicada con una réplica de la
portadora. Se hace esto para limpiar la onda portadora de la señal. En el siguiente paso, la señal es
multiplicada con una réplica de código, y la salida de esta multiplicación da el mensaje de
navegación. Entonces el módulo de seguimiento tiene que generar dos réplicas, una para la
portadora y una para el código, tiene que hacer un perfecto seguimiento y demodular la señal de un
satélite.
Figura 10. Esquema de demodulación básico. Este esquema es usado para demodular los datos de
navegación.
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La descripción anterior de la demodulación es solo para una señal con un satélite.
Esto se hace para reducir la complejidad de las ecuaciones y para dar una idea más simple del
sistema de demodulación. En la señal real hay una contribución de la señal de cada satélite visible
resultando términos con mucho ruido en las ecuaciones.
En el esquema de demodulación de la figura 10, dos réplicas de señales locales son
requeridas. Para producir la réplica exacta se necesita algún tipo de retroalimentación. El lazo de
retroalimentación para producir la réplica exacta de portadora se conoce como el lazo de
seguimiento de portadora; y el lazo de retroalimentación para producir la réplica exacta de código se
conoce como lazo de seguimiento de código.
Algoritmos de seguimiento de fase de código.
El objetivo para el lazo de seguimiento de código es hacer un seguimiento de un código
específico en la señal. La salida de ese lazo de seguimiento de código es una réplica perfectamente
alineada de código. El bloque de seguimiento de código en el receptor GPS basado en software es
implementado usando el método de seguimiento de código Early – Late también llamado lazo de
seguimiento de retardo DLL (Delay Locked Loop), que implica correlación con tres diferentes códigos
generados conocidos como el código Early (E), el código Prompt (P) y el código Late (L). El bloque de
seguimiento de código requiere de una portadora en la entrada para remover el componente de
portadora de la señal antes de calcular la correlación. La portadora de entrada al bloque de
seguimiento de código es suministrada por el bloque de seguimiento de portadora. Para agregar
robustez al bloque de seguimiento de código, este es diseñado para seguir el código en el
componente de la señal I y Q.
El diseño de la figura 11 tiene la ventaja que es independiente de la fase sobre la onda
portadora local. Si la onda portadora local está en fase con la señal de entrada, toda la energía
estará en la rama I (In-phase). Pero si la fase de la portadora local cambia con respecto a la señal de
entrada, la energía estará entre la rama I (In-phase) y en la rama Q (Quadrature). Para propósitos de
demostración, la figura 3 muestra una situación donde la fase de la réplica portadora cambia
comparada con la fase de la señal de entrada. La grafica superior muestra la salida de los tres
correlacionadores en la rama I, y la grafica inferior muestra la salida de la correlación en la rama Q
del DLL con seis correlacionadores. Esta situación es el resultado de diferentes frecuencias para la
señal y la réplica; esto se traduce en un constante cambio en la diferencia de fase (la alineación).
Existen algunas razones por lo cual esto puedo ocurrir, por ejemplo, que el PLL no puede estar en su
estado de bloqueo.
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Figura 11. Diagrama a bloques del DLL con 6 correlacionadores.
Algoritmos de seguimiento de frecuencia de portadora.
El bloque de seguimiento de portadora del receptor basado en software es implementado
con un Lazo de seguimiento de fase (PLL) Costas. El PLL mide el error de la fase de la portadora y
ajusta la frecuencia del oscilador local basada en ese error. Comparando el lazo de seguimiento de
Frecuencia (FLL) y otros PLL, el Costas PLL tiene la capacidad de realizar el seguimiento de fase de
la señal incluso son cambios periódicos de 180° en la fase. En GPS, esta propiedad es
especialmente útil ya que los bits de los datos de navegación implican cambios de fase en la señal.
En la figura 12 se muestra un Costas PLL. Una propiedad de este lazo es que es insensible a los
cambios de fase de 180° y por lo tanto un PLL Costas es insensible a los cambios de fase debido a
los bits de navegación. Esta es la razón por la cual es usado este lazo de seguimiento de portadora
en los receptores GPS.
El Costas PLL contiene dos multiplicaciones. La primera multiplicación es el producto entre la
señal de entrada y la onda portadora local y la segunda multiplicación es entre una onda portadora
desplazada 90° de fase y la señal de entrada.
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Figura 12. Costas PLL usado para seguir la onda portadora.
El objetivo del Costas PLL es tratar de mantener toda la energía en la rama I (In-phase). Para
mantener la energía en la rama I, se necesita algún tipo de retroalimentación para el oscilador. Si se
asume que la réplica de código en la figura 12 está perfectamente alineada, la multiplicación en la
rama I produce la siguiente suma mostrada en la ecuación (1):
nnDnDnnnD IF
kk
IFIF
k 2cos2
1cos
2
1coscos
(1)
Donde es la diferencia de fase entre la fase de la señal de entrada y la fase de la réplica local de la
fase de la portadora. La multiplicación en la rama Q es la mostrada en la ecuación (2):
nnDnDnnnD IF
kk
IFIF
k 2sin2
1sin
2
1sincos
(2)
Si las dos señales son filtradas por el filtro pasa-bajas después de la multiplicación, los dos términos
con el doble de la frecuencia intermedia son eliminados y queda lo siguiente:
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cos2
1nDI kk
(3)
sin2
1nDQ kk
(4)
Para encontrar un término de retroalimentación para la fase de portadora del oscilador,
podemos ver que la fase de error de la fase de réplica de la portadora local puede ser encontrada
como:
tan
cos2
1
sin2
1
nD
nD
I
Q
k
k
K
k
(5)
k
k
I
Q1tan
(6)
Bloque de seguimiento completo.
Los lazos de seguimiento de fase de código y de frecuencia de portadora hacen un trabajo coherente
pero son mutuamente dependientes uno del otro. Así que en lugar de dividir estas dos
funcionalidades en dos bloques diferentes estos se funden en una combinación de lazo del
seguimiento de código y portadora. Esto no simplifica la estructura del algoritmo, pero hace algunas
posibles mejoras computacionales. La mejora es basada sobre los elementos similares en los dos
algoritmos. Estas incluyen la multiplicación de la señal de entrada la señal portadora local,
multiplicación de la señal de entrada con el código PRN local, y finalmente el filtro pasa-bajas para
obtener como resultado una rama I (In-phase) y una rama Q (Quadrature).
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El diagrama a bloques completo de la combinación de los bloques de seguimiento de código y de
frecuencia se muestra en la figura 13. Las salidas Ip y Qp son los resultados de la correlación con el
código Prompt en el lazo de seguimiento de código. Estas son usadas como entradas en el
discriminador de lazo de código en combinación con los resultados de correlación con los códigos
Early y Late. Pero estas también son usadas como entrada al discriminador de lazo de portadora. De
esta manera, las tres multiplicaciones en el lazo de seguimiento de portadora ordinario son
eliminadas.
Figura 13. Diagrama a bloques completo de un canal de seguimiento en un receptor GPS.
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IMPLEMENTACION EN MATLAB DEL ALGORITMO DE SEGUIMIENTO DE
FRECUENCIA DE PORTADORA Y FASE DE CODIGO
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EVALUACIÓN DE LOS ALGORITMOS Y PRUEBAS AL SISTEMA.
Figura 14. Comparación entre la respuesta de discriminadores DLL comunes.
Figura 15. Comparación entre las respuestas de los discriminadores PLL Costas más comunes.
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Desplazamiento de los dos códigos [chips]
Salid
a d
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crim
inador
DLL
Producto punto
Potencia Normalizado
Potencia
Coherente
-150 -100 -50 0 50 100 150-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Error de fase []
Salid
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crim
inador
[]
arctan(Q/I)
sign(I)*Q
I*Q
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Figura 16. Salida de los seis correlacionadores en las ramas I y Q del lazo de seguimiento. La onda
portadora local está en fase con la señal de entrada.
Figura 17. Salida de los seis correlacionadores en las ramas I y Q del lazo de seguimiento. La
frecuencia de desplazamiento de adquisición es de 20 Hz y el ancho de banda del ruido del PLL es
de 15 HZ (para fines de demostración).
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
0.5
1
1.5
2x 10
8 Resultados de correlación en la rama In-phase
Tiempo [ms]
IE2
IP2
IL2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
2
4
6
8
10
12x 10
7 Resultados de correlación en la rama Quadrature
Tiempo [ms]
QE2
QP2
QL2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5x 10
7 Resultados de correlación en la rama In-phase
Tiempo [ms]
IE2
IP2
IL2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4x 10
7 Resultados de correlación en la rama Quadrature
Tiempo [ms]
QE2
QP2
QL2
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Figura 18. Datos de navegación
0 100 200 300 400 500 600-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5x 10
4 Salida del lazo de seguimiento (Datos de navegación)
Tiempo [ms]
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CONCLUSIONES
Aunque un SDR no es necesario para construir el bloque de un Radio Cognitivo, el uso del SDR en el
Radio Cognitivo puede proporcionar capacidades significativas en el final del sistema. La
implementación de SDR es un sistema de decisión, en la cual la selección de ambos subyacentes
componentes de hardware y la arquitectura de software son aspectos de diseño críticos.
La selección de componentes en hardware para la implementación de un SDR requiere una
evaluación de una variedad de aspectos, de las habilidades del hardware en soportar los
requerimientos de la señal y otros aspectos de rendimiento, como son la potencia de consumo y el
área de silicio. En enfoques tradicionales puede ser usado para estimar la necesidad de RF y niveles
de datos de adquisición. Para llevar a cabo todas estas tareas es posible utilizar procesadores de
propósito general, DSP, FPGAs, y CCM para la necesidad particular del procesamiento de señales.
Después de tener elegida la plataforma de hardware con la cual se quiere trabajar se tiene que
trabajar con las metodologías y arquitecturas de programación con lenguajes actuales que pueden
ser usados para desarrollar las formas de onda y modelos escogidos para el desarrollo de software.
Los lenguajes tienen diferentes fortalezas y debilidades. Hoy en día el C++ y Java son los lenguajes
dominantes en SDR. Python, un lenguaje script, viene incrementado su popularidad en aplicaciones
SDR, y casi seguramente será una parte integral del futuro del desarrollo del SDR.
