In this paper, we discuss spectrum sensing for vehicular dynamic spectrum access (VDSA). In particular, three spectrum detection techniques that can be used in vehicular communications are presented, and the energy detection technique is analyzed according to detection probability, false alarm probability, and missing detection probability in an AWGN channel. Evaluation results show that for a low false alarm probability value, which prevents detection errors when a primary user is transmitting, the threshold for energy detection should be high, a ecting detection probability. When the channel deteriorates with a low Signal-to-Noise Ratio (SNR), the threshold should be lowered to increase detection probability and protect primary users, even if it means denying access to secondary users. If channel conditions improve, the threshold may ascend, allowing access to secondary users again.
El surgimiento de las comunicaciones vehiculares y los Sistemas de Transporte Inteligentes (ITS por su sigla en ingles) muestra que la conectividad de dispositivos llega a escenarios distintos a las redes de comunicaciones convencionales. Las aplicaciones vehiculares Copyright held by the authors. pueden clasi carse segun tres propositos: seguridad activa en ruta; e ciencia cooperativa de tra co; informacion y entretenimiento (Infotainment) [Ham14]. Cada tipo de aplicacion tiene requerimientos de latencia, cobertura y tasa de transmision diferentes, pero todas deben estar funcionando en veh culos que se desplazan a baja, mediana o alta velocidad, lo cual impacta su desempen~o. Es por esto que los organismos de regulacion y estandarizacion de comunicaciones como la International Telecommunication Union (ITU) e IEEE estan trabajando en la asignacion de espectro radioelectrico (ERE) y en la de nicion de las tecnolog as para comunicaciones vehiculares, principalmente en frecuencias por encima de 3 GHz, en donde las altas tasas de transferencia y el corto alcance son favorables para unas aplicaciones y perjudiciales para otras. Por otro lado, las bandas por debajo de 3 GHz permiten coberturas mas amplias a tasas de datos menores, por lo que resulta interesante conocer la disponibilidad de frecuencias en estas bandas, que en su mayor a estan asignadas a algun operador, y usarlas tambien para satisfacer los requerimientos de las aplicaciones de ITS.
Informes de utilizacion de ERE en algunos pa ses reportan alta ocupacion en las bandas atribuidas al servicio celular y a comunicaciones sin licencia [Pat11], mientras que se observa baja ocupacion en las frecuencias atribuidas al servicio de television (470 MHz-698 MHz) [Han10]. Las caracter sticas de este servicio y el despliegue de su red causan que en algunas zonas no haya cobertura de manera temporal o permanente, lo que permitir a a otros servicios usar los canales disponibles condicionados a no ocasionar interferencias perjudiciales a los titulares del servicio. La busqueda y utilizacion de ERE disponible de forma oportunista se conoce como Dynamic Spectrum Access (DSA), y reune tecnicas de deteccion de ERE disponible y asignacion de canales teniendo en cuenta la proteccion de los servicios primarios [Song12]. El acceso oportunista conforma un mecanismo adicional para proveer resiliencia a los servicios ofrecidos en la red vehicular. Algunas aplicaciones pueden utilizar este mecanismo para el env o de informacion duplicada sobre otras bandas, como una manera de proveer redundancia en la red, o pueden seleccionar el acceso primario para el env o de informacion prioritaria y el acceso secundario para el env o de otro tipo de informacion menos prioritaria.
DSA en comunicaciones vehiculares se conoce como Vehicular Dynamic Spectrum Access (VDSA) [Chen12], de manera que la busqueda y asignacion de canales disponibles tenga en cuenta los requerimientos de las aplicaciones en condiciones de alta movilidad, dejando de lado el supuesto del ancho de banda garantizado en todo momento. La estimacion del ERE disponible involucra el uso de tecnicas para detectar un canal y decidir si esta ocupado o disponible, mientras que el acceso al canal se de ne mediante mecanismos para decidir la asignacion del canal cuando dos o mas usuarios secundarios requieren el medio; ambos procesos se pueden ejecutar de manera independiente, usando dispositivos cognitivos que esten en el veh culo o en la infraestructura [Fcc05].
Este trabajo esta centrado en la revision de tres tecnicas de deteccion de ERE que pueden ser utilizadas en VDSA: deteccion de energ a, analisis cicloestacionario y deteccion basada en la forma de onda, y el analisis de desempen~o de la deteccion de energ a cuando hay variaciones de la relacion sen~al a ruido (SNR) en un canal con ruido aditivo blanco gaussiano (AWGN). Las metricas usadas para la evaluacion son probabilidad de deteccion Pd, probabilidad de falsa alarma Pf , y probabilidad de missing detection Pmd, las cuales re ejan el comportamiento de la tecnica para evitar decisiones equivocadas sobre la disponibilidad de un canal, impidiendo una interferencia perjudicial a los usuarios primarios.
El resto del art culo esta organizado de la siguiente forma. En la Seccion 2 se describen los aspectos de las comunicaciones vehiculares a tener en cuenta en la busqueda dinamica de ERE y las tecnicas que pueden ser utilizadas. La Seccion 3 contiene la descripcion de las metricas para analizar el desempen~o de la tecnica deteccion de energ a, as como la metodolog a usada para el analisis. En la Seccion 4 se analizan los resultados obtenidos del analisis de desempen~o. En la Seccion 5 se presentan las conclusiones y algunos temas abiertos de investigacion. 2.1.
Las comunicaciones vehiculares estan siendo abordadas desde distintas perspectivas. Desde el punto de vista de las aplicaciones existen propuestas para aumentar la seguridad de conductores y reducir accidentes; gestionar de manera e ciente el tra co; y brindar informacion y entretenimiento a los pasajeros. Los requerimientos en latencia, retardo, cobertura y tasa de transmision son diferentes para cada tipo de aplicacion, como se muestra en la Tabla 1 [Ham14]. Tabla 1: Requerimientos de aplicaciones vehiculares Aplicacion Seguridad activa E ciencia de tra co cooperativo Informacion y entretenimiento (Infotainment)
Requerimientos tecnicos Latencia baja < 100 ms Cobertura <300 m Tasa de transmision < 10 kbps Latencia media <200 ms Cobertura <300 m Tasa de transmision < 100 kbps Latencia alta <500 ms Cobertura variable y tasa de transmision depediente del contenido
Uno de los supuestos usados para disen~ar las aplicaciones es la disponibilidad y estabilidad del medio de transmision, es decir, que el sistema de comunicacion cuenta con un canal libre de interferencia y con un ancho de banda garantizado a lo largo del camino. Respecto a las frecuencias permitidas para comunicaciones vehiculares, en la banda de IMS 5.9 GHz se situan las Dedicated Short-Range Communications (DSRC), un tipo de comunicacion inalambrica de corto alcance orientada a veh culos. Adicionalmente, la banda de frecuencias en 60 GHz (Millimeter Wave) tambien puede ser usada para el funcionamiento de radares para evitar colisiones y para aplicaciones de ITS. La ventaja de esta banda es que el ancho de banda por canal puede ser de 2.5 GHz en la banda 59-66 GHz. Estas frecuencias son apropiadas para transmisiones de corto alcance, por lo que seran muy usadas en comunicaciones veh culo-a-veh culo (V2V) con la ventaja de altas tasas de transferencia. Sin embargo, al ser bandas sin licencia deberan ser compartidas con usuarios demandantes en ancho de banda como los de WLAN en la banda 5.9 GHz, por lo que el acceso a estas frecuencias sera altamente competido. Por otro lado, para que puedan ser usadas en comunicaciones veh culo-ainfraestructura (V2I) se requerira que el veh culo este cerca de las estaciones base en carretera (RSU por su sigla en ingles) durante un per odo de tiempo considerable para tener una comunicacion adecuada. Para tener una cobertura mas amplia se podr an utilizar las frecuencias disponibles o subutilizadas en el servicio de television, de acuerdo a lo de nido en el estandar IEEE 802.22 y otros documentos tcnicos [Ecc15]. Los dispositivos secundarios interesados en utilizar estos canales se deben asegurar de que el canal esta disponible antes de transmitir y liberar el recurso cuando un usuario primario lo requiera, mediante la ejecucion de una tecnica de deteccion de ERE.
La tecnica a utilizar depende del conocimiento de las posibles sen~ales presentes en el canal y sus parametros (modulacion, formato del paquete, forma del pulso, etc.). Entre mas informacion haya sobre las sen~ales primarias, mayor sera la con abilidad de la deteccion. De las tecnicas mencionadas para DSA [Yuc09] se escogieron tres al ser las que con mas frecuencia se usan en deteccion oportunista de ERE: deteccion de energ a (baja complejidad y baja precision), analisis cicloestacionario (alta complejidad y mediana presicion)y deteccion basada en forma de onda (mediana complejidad y alta precision). La complejidad de la tecnica se expresa en terminos del conocimiento previo de las sen~ales primarias, el procesamiento de la sen~al recibida y la cantidad de receptores requeridos. Las tecnicas de deteccion propuestas son validas para ser usadas en entornos vehiculares porque toman decisiones basadas en lo detectado en el canal, sin embargo requieren algunas modi caciones para afrontar el multipath y el efecto Doppler presente en las comunicaciones vehiculares. 2.2.1.
Es la tecnica mas utilizada para estimar disponibilidad de ERE porque el receptor no requiere conocimiento previo de las posibles sen~ales en el canal y por su baja complejidad de implementacion [Adu12], [Li10], [Lac09]. La presencia de una sen~al se detecta comparando la energ a en el canal con un umbral E dB, que en su de nicion mas sencilla depende del piso de ruido. Si la energ a en el canal sobrepasa E signi ca que un usuario lo esta usando; de lo contrario el canal esta disponible y puede ser utilizado por un usuario secundario.
Si y(n) es la sen~al recibida, su energ a es equivalente a: donde N es la cantidad de muestras de la sen~al. La de nicion del umbral es un aspecto importante para que la deteccion sea efectiva en condiciones de SNR baja. Algunas versiones mejoradas de esta tecnica incluyen deteccion cooperativa y de nicion de dos o tres umbrales, para combinar los resultados e incrementar la precision [Hu14]. Otras aproximaciones proponen el uso de un umbral dinamico en lugar de estatico, de nido a partir del comportamiento de sen~ales primarias conocidas [Leh05]. 2.2.2.
Este metodo esta basado las caracter sticas cicloestacionarias de la sen~al recibida, las cuales se representan por el comportamiento periodico con periodo T0 de su media Mx(t) y su funcion de autocorrelacion Rx(t; ) [Yuc09], [Oner04].
Mx(t) = Mx(t + T0) Rx(t; ) = Rx(t + T0; + T0) (2) (3)
Esta tecnica puede diferenciar entre el ruido y una sen~al primaria porque el ruido es un proceso aleatorio y su autocorrelacion no es periodica. El detector calcula la autocorrelacion de la sen~al recibida y la compara con un valor C conocido, el cual puede ser la frecuencia c clica de la sen~al [Kim07]. En este caso se requiere conocimiento previo de las sen~ales primarias, por lo que su complejidad de implementacion es media. Por otro lado, si el ruido en el canal es estacionario, el desempen~o de esta tecnica se ve afectado. Su desempen~o no se ve afectado en condiciones de baja SNR porque su indicador no depende del nivel de la sen~al sino de su periodicidad. 2.2.3.
Esta tecnica se puede utilizar cuando algunos patrones presentes en la sen~al son conocidos (e.g., preambulo, secuencia de espectro ensanchado, sen~al piloto, etc.) Para identi car la presencia de un usuario primario, el receptor calcula la correlacion entre uno de los patrones conocidos de la sen~al recibida y un banco de patrones conocidos correspondientes a las posibles sen~ales primarias. Si y(t) es la sen~al recibida y s(t) es una sen~al conocida, la correlacion entre ambas se expresa como [Yuc09]: (4) (5) (6)
N M = Re[X y(n)s (n)]
n=0 donde * indica el conjugado. La correlacion cuando el usuario primario esta presente o ausente se puede expresar como (5) y (6) respectivamente. Este valor M obtenido debe compararse con un coe ciente W para determinar si la correlacion es alta y el usuario primario esta presente, o baja en sen~al de que en el canal solo hay ruido.
N N M = X js(n)j2 + Re[X n=0
n=0
N M = Re[X n=0 w(n)s (n)] w(n)s (n)]
Esta tecnica tiene una complejidad alta porque requiere, en algunos casos, demodular la sen~al hasta llegar al preambulo, por lo que se requiere un dispositivo cognitivo que soporte el procesamiento de todas las posibles sen~ales primarias que deben ser conocidas previamente. Respecto a su desempen~o en condiciones de baja SNR, la tecnica puede con arse de los mecanismos usados por los sistemas de comunicaciones primarios para corregir posibles errores antes de llegar a los patrones evaluados en la deteccion.
La deteccion de ERE se puede expresar de una forma simple. Si s(t) es la sen~al del usuario primario y w(t) es ruido AWGN, el dispositivo secundario debe veri car cual de las siguientes condiciones se cumple en la sen~al recibida y(t): y(t) = w(t) s(t) + w(t)
H0 H1 (7)
H0 y H1 representan las hipotesis de presencia o ausencia de un usuario primario en el canal, respectivamente. Cuando el receptor ejecuta la tecnica de deteccion y toma la decision del estado del canal, lo ideal es que detecte a un usuario primario cuando esta presente. Sin embargo, existen dos tipos de errores que pueden ocurrir [Sha15]:
Missing Detection: cuando el umbral usado para determinar la presencia de un usuario primario es muy alto, la tecnica podr a no detectar una transmision primaria activa en el canal.
Falsa alarma: cuando el umbral es muy bajo es probable que la deteccion decida equivocadamente la presencia de un usuario primario, de manera que el usuario secundario pierde la oportunidad de usar el canal.
Un detector efectivo es aquel en el que la probabilidad de detectar un usuario primario cuando esta presente (Pd) es alta, mientras que la probabilidad de missing detection (Pmd) y la probabilidad de falsa alarma (Pf ) son bajas. Estas probabilidades se de nen en terminos de las hipotesis de nidas en (7) de la siguiente manera:
Pd = P (H1jH1)
Pf = P (H1jH0) Pmd = P (H0jH1) = 1
Pd
Cada probabilidad tiene su expresion dependiendo de la tecnica utilizada debido a que estan asociadas al indicador (o umbral) de ocupacion del canal ( E ; C ; W ), y tambien al tipo de canal usado (i.e., AWGN, Rayleigh o Rician). Una vez determinadas se puede de nir un umbral de acuerdo a valores objetivo de Pd o Pf . Dado que el interes primordial del uso secundario de ERE es permitir su uso oportunista evitando la interferencia perjudicial a usuarios primarios, en este trabajo en progreso se presenta el analisis de desempen~o de la tecnica mas sencilla que es la deteccion de energ a respecto a Pf en un canal AWGN. E y Pd se de nen como [Lia08]: (8) (9) (10) donde Q(x) es la funcion para calcular la probabilidad de que una variable aleatoria que sigue una distribucion normal, como el ruido AWGN y la sen~al y(t), tengan un valor mas alto que x.
Para analizar el comportamiento de la deteccion de
energ a bajo variaciones de SNR, se calcula el valor
teorico estimado de E de acuerdo a (11) para valores
objetivo de Pf entre 0.01 y 1, y el efecto del E
escogido sobre Pd de acuerdo a (
La Fig. 1 muestra el valor del E teorico para los valores objetivo de Pf . Recordando que Pf hace referencia al error de deteccion cuando E es tan bajo que el canal se considera ocupado, aunque un usuario primario no este presente, se observa que para tener valores bajos de Pf se debe tener un E alto. El estandar IEEE 802.22 recomienda que Pf < 0;1 para que no se inter era a los usuarios de television, por lo que E estar a cercano a 1.15 dB.
Figura 1: Umbral vs. Pf con la tecnica de deteccion de energ a Figura 2: Pd vs. Umbral con la tecnica de deteccion de energ a (SNR=-10, -15, -20 dB)
El valor de Pd, que indica la probabilidad de detectar un usuario primario cuando esta usando el canal, s se ve afectado por el SNR. En la Fig. 2 se observa que Pd es mayor cuando E tiene valores bajos porque el detector podr a identi car transmisiones en curso con potencias bajas. Sin embargo, un valor bajo de E aumenta Pf , por lo que existe un trade-o entre ambas probabilidades a la hora de escoger E . Si las condiciones del canal empeoran (SNR mas bajo), es necesario disminuir E para mantener una Pd objetivo y proteger a los usuarios primarios. Por otro lado, si el canal esta en mejores condiciones, E puede subir para que Pf sea mas baja y haya mayor utilizacion de los canales disponibles por parte de los usuarios secundarios. Figura 3: Pd vs. Pf Teorico y Simulado con la tecnica de deteccion de energ a (SNR=-10, -15, -20 dB) en donde al disminuir Pf tambien disminuye Pd debido a la necesidad de subir E . Tambien se observa que los valores de Pd calculados por simulacion para valores objetivo de Pf son iguales a los calculados mediante la expresion teorica.
Figura 4: Pmd vs. Umbral con la tecnica de deteccion de energ a (SNR=-10, -15, -20 dB)
Finalmente, para analizar la Pmd que esta asociada con el error de no identi car una transmision de usuario primario debido a un E alto, en la Fig. 4 se observa que Pmd aumenta a medida que E se hace mas grande porque Pmd esta directamente relacionada con Pd. Si las condiciones del canal empeoran y E debe disminuir para conservar una Pd, Pmd sera menor.
Los resultados muestran que la efectividad de la deteccion de energ a, la cual se basa unicamente en la sen~al presente en el canal, depende de la estimacion de
E y su ajuste de acuerdo a las condiciones del canal. El requerimiento primordial para VDSA, y en general para DSA al hacer uso oportunista de ERE en bandas licenciadas, es que los usuarios secundarios no ocasionen interferencia perjudicial a los usuarios primarios. Es por esto que se busca mantener una Pf baja, lo cual se alcanza con un E alto. Sin embargo, cuando las condiciones del canal empeoran, es necesario bajar
E para aumentar Pd y asegurar que un usuario primario tengan acceso libre de interferencia perjudicial, as esto implique que el canal se considere ocupado la mayor parte del tiempo para los usuarios secundarios. Una vez las condiciones mejoran, E puede tomar un valor mas bajo y as aumenta la disponibilidad del canal para uso secundario.
La Fig. 3 muestra el trade-o entre Pf y Pd teoricos y el efecto del SNR, donde unas mejores condiciones de canal permiten aumentar Pd para una misma Pf , pero En este art culo se describieron tres tecnicas de deteccion de ERE que pueden ser utilizadas en VDSA, teniendo en cuenta su complejidad de implementacion y la con abilidad en la deteccion. Se evaluo el desempen~o de una de las tecnicas: la deteccion de energ a en un canal con ruido AWGN de acuerdo a la Pd y Pmd, segun el E requerido para garantizar una Pf objetivo. Los resultados mostraron que existe un trade-o entre Pd y Pf al de nir el umbral de deteccion: un umbral bajo aumenta la probabilidad de detectar transmisiones primarios de baja potencia en el canal, pero aumenta la probabilidad de negar la utilizacion de un canal disponible a los usuarios secundarios.
Las condiciones del canal se deben tener en cuenta para variar el umbral y continuar garantizando el desempen~o de la tecnica. Ante un canal de mala calidad se debe bajar el umbral de deteccion, de manera que la transmision de un usuario primario se mantenga libre de interferencia perjudicial, as esto implique la negacion de acceso para un usuario secundario. Cuando las condiciones del canal mejoren el umbral puede subir nuevamente, y as aumenta la utilizacion oportunista de canales.
Como trabajo futuro se puede abordar la de nicion de las metricas de desempen~o de estas tecnicas para canal Rayleigh, con el n de tener en cuenta el multipath y el efecto Doppler en su analisis. Con esto sera posible determinar los ajustes requeridos para usarlas en ambientes con movilidad, principalmente en la denicion del umbral.
Este trabajo ha sido nanciado parcialmente por el Proyecto FONDECYT Iniciacion No. 11140045, el Proyecto U-INICIA-2014-005 y por el Programa Becas CONICYT para estudios de posgrado CONICYTPCHA/Doctorado Nacional/2016-21161383.