TFG: Análisis y desarrollo de técnicas de sensado espectral basadas en tecnología de radio definida por software

Ráfagas de tŕafico IEEE 802.11

El número de dispositivos inalámbricos aumentó en 563 millones en el año 2015 según Cisco, y se prevé que para el año 2020 se alcance la cuota de 1.5 dispositivos per capita. Esta tendencia provocará que en el futuro no se puedan satisfacer las necesidades de espectro de estos dispositivos, especialmente en las bandas ISM, donde no se requiere una licencia para operar y por tanto existe mayor saturación. Por ese motivo es necesario desarrollar nuevas técnicas, estrategias y protocolos que permitan un mejor uso del espectro.

Para satisfacer estas necesidades surge en 1999 un nuevo paradigma en las comunicaciones radio conocido como Radio Cognitiva (CR). Este nuevo paradigma permite a los sistemas radio ser conscientes de sus propios recursos, del estado del espectro y de las necesidades de comunicación de los usuarios. Esta inteligencia le permite adaptarse al contexto de uso y a las necesidades de comunicación con el propósito de mejorar sus prestaciones a través de lo que se denomina ciclo cognitivo. Este ciclo cognitivo abarca desde la observación del espectro a la toma de decisiones en base a este último.

Por otro lado, se viene desarrollando desde hace años la tecnología de Radio Definida por Software (SDR). La SDR se diferencia de los sistemas radio tradicionales que utilizan transceptores altamente integrados en que la primera tiene su stack de protocolos definido por software, desde la capa física hasta las capas más altas, lo que le otorga una enorme flexibilidad y capacidad de reconfiguración. La unión de la SDR y la CR se entendió desde el primer momento como un desenlace necesario.

Este Trabajo de Fin de Grado (TFG) parte del estudio de los algoritmos de sensado espectral más utilizados: algoritmos de detección de características específicas de señal y algoritmos de sensado agnósticos (blind sensing). Se estudian las tecnologías SDR y CR con el fin de implementar técnicas de sensado espectral basadas en la tecnología SDR sobre la plataforma BladeRF de Nuand, utilizando GNU Radio como herramienta de desarrollo.

BladeRF

Se limitó el escenario de operación a la banda de 2,4 GHz, con la suposición de que el dispositivo sensor no tiene conocimientos a priori sobre las señales, los usuarios o los servicios presentes en dicha banda. Esta limitación obliga a emplear técnicas de sensado agnóstico basadas en la detección de energía, o radiometría. Se desarrollaron dos técnicas de sensado para tratar de caracterizar el espectro: una en el dominio de la frecuencia y otra en el dominio del tiempo.

La técnica de sensado en el dominio de la frecuencia analiza los picos de potencia a través de la banda con el objetivo de encontrar los canales menos ocupados o que demanden menor potencia al transmisor.

La técnica de sensado en el dominio del tiempo se basa en la detección de ráfagas de tráfico para realizar estimaciones sobre el comportamiento estadistico de un canal en el tiempo para un determinado umbral de potencia de observación. Obtiene información acerca de la distribución de los tamaños de ráfaga y  los tiempos en que el canal queda libre. La elección del umbral no es trivial, y de ella depende que los resultados del análisis sean fiables. Para ello se realiza un análisis a priori de la distribución de potencia en el canal, se separan las distribuciones de potencia similar (generalmente asociadas a transmisores distintos) y se establecen los umbrales de comparación que maximizan la probabilidad de detección a la vez que se minimiza la probabilidad de falsa detección.

Slot distribution

Por último, para probar y validar las técnicas de sensado implementadas, se desarrolló un inyector de tráfico SDR sobre la misma plataforma BladeRF. Este inyector permite introducir tráfico controlado y de características conocidas con objeto de probar la respuesta de los algoritmos de sensado espectral.