Channel reservation and spectrum adaptation strategies in a multi-level prioritized cognitive radio network

Abstract

Tecnologias sem fio têm dominado o mercado das comunicações, oferecendo velocidades razoáveis e conveniência a um baixo custo de implantação. No entanto, devido ao crescimento significativo do número de plataformas computacionais móveis e de suas demandas por largura de banda, acrescido do advento da Internet das Coisas, as redes sem fio do futuro devem passar a ser muito mais densas e heterogêneas, sendo difíceis de se adequar a política tradicional de alocação espectral fixa. Recentemente, o método de agregação de portadora (AP) fora proposto no padrão Long Term Evolution – Advanced (LTE-A), com o propósito de aumentar as taxas de bit, mitigando assim parte do problema. Todavia, rádio cognitivo (RC) foi apresentada como a solução mais promissora para lidar com este ecossistema complexo, uma vez que pode proporcionar uma melhor utilização do espectro e coordenação de usuários através de mecanismos não-tradicionais. Entre outras características, isso permite que usuários não-licenciados também conhecidos como usuários secundários (USs) utilizem de forma oportunista bandas licenciadas temporariamente ociosas, cujos clientes licenciados são também chamados de usuários primários (UPs). Como os UPs e os USs devem compartilhar as mesmas bandas, uma questão crítica é evitar interferência primária e concomitantemente apoiar a qualidade de serviço prestada aos USs. Esta dissertação estuda a integração sinérgica das redes de rádio cognitivas, técnicas de acesso dinâmico ao espectro e estratégias de alocação de recursos (AP), que combinados, devem melhorar o desempenho do sistema. Neste trabalho, propomos um modelo baseado em filas do tipo M/M/N/N, que inclui três prioridades de usuário, opções de largura de banda, reserva de canal multi-nível e duas estratégias de agregação de canal. Para cada recurso estudado, empregamos diferentes condições de carga de rede e avaliamos os resultados em termos de quatro métricas: probabilidade de bloqueio, a probabilidade de terminação forçada, utilização espectral e vazão. Este estudo é particularmente útil para compreender os efeitos de cada uma destas abordagens em relação à rede secundária. O modelo fornecido cumpre quase completamente as possibilidades do largura de banda de cada nível de usuário, melhora a formulação de reserva de canal existente e demonstra que estratégia de agregação de canais proposta possui performance similar a uma abordagem mais complexa de agregação e fragmentação simultânea, mas que seria tecnicamente mais viável.