[pt] A tecnologia de rádio cognitivo está em pleno desenvolvimento na academia e indústria, sendo apresentada como uma solução para o reduzir o congestionamento do espectro radioelétrico. Dessa forma, diversos estudos têm sido desenvolvidos para obter novas técnicas de compartilhamento do espectro entre usuários ditos primários e secundários. Estas técnicas devem ser robustas o suficiente para minimizar as colisões de ocupação do espectro entre os usuários supracitados, quando o acesso dinâmico ao espectro for aplicado. O presente estudo investigou as soluções de ocupação compartilhada do espectro, em especial nos para serviços de voz na faixa de 450 MHz. A modelagem de ocupação dos canais, a partir de medidas de transmissões reais, permitiu o desenvolvimento de algoritmo robusto que realiza a predição de espaços espectrais (white spaces) dentro de canais destinados a usuários primários. Esse método proposto define, estatisticamente, uma janela de intervalos de tempo futuros que pode ser utilizada por usuários secundários, por apresentar maior probabilidade de possuir espaços espectrais livres, minimizando as possíveis colisões. O emprego do método proposto aumenta a vazão de informações de modo seguro e,com alto desempenho, otimizando,assim,a utilização do espectro radioelétrico. / [en] The cognitive radio technology is being developedin universities and industry as a solution to the radio spectrum scarcity. This technology willallow spectrum sharing between primary and secondary telecommunication users. The techniques employed must be robust enough to minimize spectrum occupancy collisions, when the dynamic spectrum access is applied. This study investigates the trends of spectrum usersoccupation, particularly in voice services in the 450 MHz frequency band.An users occupancy model was developed taking into accountmeasured data of real transmissions. It allowed the development of a robust algorithm that predicts spectral vacancy in channels allocated to primary users. The method selects, statistically, a group of future time intervals that can be used by secondary users, due to a higher probability of having a free spectral space. The use of this new technique minimizes possible collisions, increasing the flow of information in secure way and optimizing the radio spectrum use.

[pt] Este trabalho analisa um problema específico envolvendo o compartilhamento de frequências entre o Serviço Fixo Terrestre (FS) e uma aplicação de alta densidade do Serviço Fixo por Satélite (HDFSS). Este problema, identificado pela primeira vez durante as discussões sobre sistemas de alta densidade ocorridas durante a Conferência Mundial de Radiocomunicações da União Internacional de Telecomunicações de 2003 tem, desde então, sido objeto de diversos estudos. No cenário geral considerado neste trabalho, sistemas do FS e do HDFSS compartilham a mesma faixa de frequências em uma mesma região geográfica. Os sistemas do FS operam como usuários primários e os sistemas HDFSS operam, utilizando técnicas de Rádio Cognitivo, como usuários secundários. Para facilitar a convivência entre os dois serviços, o uso de um Mapa de Ambiente de Rádio (REM - Radio Environment Map) é considerado. Este tipo de mapa, produzido por um Centro de Base de Dados (Data Base Center) a partir de informações recebidas dos usuários secundários, indica em que partes da região geográfica considerada um determinado canal está disponível para uso pelos usuários secundários. Neste trabalho, um novo método de geração de REM é proposto e avaliado. No desenvolvimento do método é utilizada uma modelagem original que considera uma densidade espectral de potência genérica para os sinais transmitidos pelos usuários primários. Além disso, métricas adequadas para avaliar a qualidade de REMs e o desempenho dos métodos de geração são definidas e propostas. Estas métricas são utilizadas numa análise comparativa de desempenho envolvendo o método de geração de REM proposto e um método de geração existente. A análise é feita com base nos resultados obtidos para cenários específicos que, diferentemente dos cenários utilizados em outros trabalhos, considera a existência de múltiplos enlaces do FS na região de interesse. / [en] This work analyzes a specific problem involving the frequency sharing between the Fixed Service (FS) and a High Density application in the Fixed Satellite Service (HDFSS). This problem was first identified through discussions on high density systems held at the 2003 World Radiocommunication Conference and, since then, it has been the object of several studies. This study considers a general scenario involving a geographical area where FS systems shares its operating frequency band with HDFSS systems. The FS systems operate as primary users and the HDFSS systems operate as secondary users using Cognitive Radio techniques. To facilitate the frequency sharing between these two systems, the use of a Radio Environment Map (REM) is considered. This kind of map, produced by a Data Base Center (DBC), is based on the collaboration data received from all secondary users and indicates those locations (inside the considered geographical area) where a given frequency channel is available for use by secondary users. In this work, a new REM generation method is proposed and evaluated. In developing the method, an original mathematical modeling, that considers a generic power spectrum density for the primary users transmissions, is used. Furthermore, appropriate metrics are defined and proposed aiming to assess the REM quality and the REM generation method performance. These metrics are used in a comparative performance analysis involving the proposed REM generation method and an existing generation method. This analysis is based on results obtained for specific scenarios that, unlike those evaluated in other studies, consider the existence of multiple FS links in the geographical area of interest.

[pt] Nesta dissertação é investigada, por meio de simulações computacionais, a utilização do conceito de rádio cognitivo considerando a técnica de sensoriamento espectral aplicada às femtocélulas do sistema móvel LTE Release 10 para reduzir os problemas de interferência entre camadas (cross-tier) existentes em um cenário de coexistências das redes heterogêneas (femtocélulas e macrocélulas). Além disso, é investigada a interferência gerada por parte das femtocélulas LTE Release 10 em receptores de TV Digital operando em bandas de frequência adjacentes. Neste caso, além da simulação computacional foram realizadas medições em cenários de coexistência da femtocélula LTE e do Sistema Brasileiro de TV Digital na banda de frequência de 700 MHz. / [en] This dissertation investigates, using computer simulation, the use of spectrum sensing Cognitive Radio concept applied in femtocells of the LTE Release 10 mobile system in order to reduce the interference cross-tier problems that exists in the coexistence scenario of a heterogeneous network (femto-macrocells). Furthermore, the interference produced by LTE Release 10 femtocells in TV Digital receivers operating in adjacent frequency bands was investigated. In this case, besides the computer simulations measurements were performed in an experimental setup implementing coexistence scenarios of the LTE femtocell and the Brazilian Digital TV System at the 700 MHz frequency band.

[pt] Com o desenvolvimento tecnológico no setor de telecomunicações, o espectro radioelétrico está quase totalmente ocupado com um grande número de múltiplas atribuições para os muitos serviços sem fio de aplicação comercial e, também, não comercial, tais como defesa, controle de tráfego aéreo e exploração científica. O espectro eletromagnético é um recurso natural precioso e escasso, por isso, importantes esforços estão sendo direcionados para o desenvolvimento de rádios cognitivos, com capacidade de sensoriar o uso do espectro e utilizar frequências momentaneamente disponíveis de forma oportunista. O rastreamento e a utilização de intervalos espectrais, ou white spaces, através da tecnologia de rádios cognitivos, permitirá aumentar a eficiência de uso do espectro com a introdução de novos serviços de telecomunicações a serem explorados por usuários secundários, obrigados a não interferir ou a provocar interferência muito limitada nos usuários primários. O objetivo geral deste trabalho é avaliar os principais algoritmos de detecção dos intervalos espectrais (Detector de Energia, Detecção do Valor Absoluto de Covariância, Sensoriamento de Covariância Espectral) por meio de simulações com dados experimentais obtidos em campanhas de medições e testes em laboratório. Os algoritmos foram testados para avaliar o seu desempenho em termos de probabilidade de detecção dada uma probabilidade de falso alarme requerida, complexidade computacional e robustez quanto a relações sinal-a-ruído baixas. Os dados experimentais utilizados provêm de campanhas de medidas realizadas em ambiente urbano na faixa de 3.5 GHz. / [en] With the technological development of the telecommunications industry, the radio spectrum is almost fully occupied with a large number of multiple assignments for wireless services for both commercial and non-commercial applications, such as defense, air traffic control and scientific exploration. The electromagnetic spectrum is a precious and scarce natural resource. Therefore, a considerable effort is being directed at the development of cognitive radios, capable of sensoring the spectrum and using momentarily available frequency bands in an opportunistic way. The tracking and using of these spectral intervals, or white spaces, using cognitive radio technology will enhance the efficiency of the spectrum use and allow the introduction of new telecommunications services to be exploited by secondary users, obliged not to interfere or produce very limited interference to primary users. The aim of this study is to evaluate the main algorithms for detection of spectral intervals (Energy Detector, Detection of Covariance Absolute Value, Spectral Covariance Sensing) through simulations with experimental data obtained in field measurements campaigns. The algorithms were tested to evaluate their performance in terms of detection probability given a required false alarm probability, computational complexity and robustness in low signal-to-noise conditions. The experimental data used comes from the measurements campaigns in urban environments at the 3.5 GHz band.

[pt] A tecnologia do rádio cognitivo tem sido pesquisada para utilização mais eficiente do espectro, pois permite o aproveitamento de faixas de frequência subutilizadas. Dispositivos rádio cognitivos que operam na banda de frequência da TV digital são conhecidos como White Space Devices (WSD) e utilizam canais livres sob a condição de não provocar interferência acima do limite estabelecido pelo órgão regulador. A autoridade reguladora do Reino Unido, Office of Communication (Ofcom), publicou, em fevereiro de 2015, a primeira regulação européia permitindo a operação de sistemas WSD na banda da TV digital através do suporte de sistemas de banco de dados geolocalizados. O regulamento Ofcom define uma metodologia para calcular a potência de transmissão máxima de um WSD através de um método de entrada única (single-entry) da interferência intersistema máxima. Devido a isso, a interferência agregada de WSDs co-canais que operam na mesma região pode ultrapassar a interferência intersistema máxima. Além deste problema, verifica-se que a metodologia Ofcom não define a interferência intersistema máxima pelo mesmo critério da interferência intrasistema como foi definida pelo planejamento do sistema primário de TV. Esta tese desenvolve uma nova metodologia de cálculo da potência de transmissão dos WSDs que soluciona os problemas identificados na metodologia Ofcom. A metodologia proposta garante a proteção do receptor de TV digital através de uma abordagem de múltiplas entradas da interferência dos WSDs e, adicionalmente, aumenta a capacidade do sistema WSD quando comparada à metodologia Ofcom. / [en] The technology of cognitive radio has been researched for more efficient use of spectrum, since it allows the use of under-utilized frequency bands. Cognitive radio devices operating in the digital TV frequency band are known as White Space Devices (WSD) and use free channels under the condition of not causing interference above the limit set by the regulator. The UK regulatory authority, Office of Communication (Ofcom), published in February 2015, the first European regulation allowing WSD systems in the digital TV band through the support of geo-database systems. The Ofcom regulation defines a methodology to calculate the maximum WSD transmission power through a single-entry method for the maximum intersystem interference. Due to this, the aggregate interference of cochannel WSDs operating in the same region may exceed this maximum intersystem interference. In addition to this problem, it is verified that the Ofcom methodology does not define maximum intersystem interference by the same criterion of intrasystem interference as was defined by the primary TV system planning. This thesis develops a new methodology for calculating the transmission power of WSDs that solves the problems identified in the Ofcom methodology. The proposed methodology guarantees the protection of the digital TV receiver through a multiple-entry approach of the WSDs interference and, additionally, increases the WSD system capacity when compared to the Ofcom methodology.

[pt] O rádio cognitivo é uma tecnologia que visa o compartilhamento do espectro radioelétrico entre usuários primários licenciados e os demais usuários secundários de maneira harmoniosa, sem provocar interferências que prejudiquem a prestação dos serviços e visando uma melhoria na eficiência do uso do espectro radioelétrico, que é um recurso cada vez mais escasso. No âmbito da pesquisa referente a esta dissertação, é construído e implementado no GNU Radio um esquema de avaliação de desempenho de detectores para rádio cognitivo, é construído o detector de energia, e são implementadas simulações computacionais e ensaios por meio de duas USRP para avaliar o desempenho do detector criado, visando os requisitos do padrão IEEE 802.22. / [en] Cognitive radio is a technology that aims to share the radio spectrum between licensed primary users and other secondary users in a harmonious way without causing interference that prevent the services provision and aiming at an improvement in the efficiency in the use of the radioelectric spectrum, which is a resource increasingly scarce. In the scope of the research related to this dissertation, a performance evaluation scheme of cognitive radio detectors is constructed and implemented in GNU Radio, the energy detector is constructed, and computational simulations and tests are implemented through two USRPs to evaluate the performance of the detector created, targeting the requirements of the IEEE 802.22 standard.

[pt] A tecnologia de rádios cognitivos está surgindo como uma eficaz alternativa para aumentar o número de usuários de serviços de dados em banda larga em diversas faixas de frequências. O conceito pretende resolver a escassez do espectro a partir de duas características básicas: a capacidade cognitiva e a capacidade de reconfiguração. A capacidade cognitiva refere-se à habilidade do rádio de conhecer o meio no qual pretende operar, identificar de forma oportunista os espaços espectrais não utilizados na sua totalidade ou em alguns intervalos de tempo e, a partir da sua reconfiguração transmitir informação sem provocar interferência no usuário principal da porção do espectro utilizado. Esta dissertação de mestrado apresenta os resultados obtidos da análise do desempenho de regras de fusão para sensoriamento remoto cooperativo. Na primeira parte são abordados os fundamentos teóricos de Rádio cognitivo e os aspectos mais importantes do gerenciamento do espectro radioelétrico, além dos fundamentos do detector de energia, detector mais simples de implementar e utilizar para o sensoriamento em redes cognitivas. A seguir são abordadas diferentes técnicas para sensoriamento em redes cognitivas, apresentando os esquemas de decisão e a detecção convencional do espectro cooperativo, os métodos Hard decision e Soft decision. Finalmente uma avaliação das regras de sensoriamento cooperativo em cenários reais é realizada para obter as conclusões do trabalho. / [en] Cognitive radio technology is emerging as an effective alternative to increase the number of users in several frequency bands. The concept aims to solve the scarcity of the spectrum from two basic characteristics: the cognitive capacity and the capacity of reconfiguration. Cognitive ability refers to the ability of the radio to know the medium in which it is operating, to identify in an opportunistic way the unused spectral spaces in their totality or in some intervals of time and, from its reconfiguration transmit information without causing interference in the user of the portion of the spectrum used. This dissertation presents the results obtained from the analysis of the performance of fusion rules for cooperative remote sensing. The first part deals with the theoretical foundations of cognitive radio and the most important aspects of radioelectric spectrum management, as well as the fundamentals of the energy detector, the most important detector used in cognitive networks. Next, different techniques for sensing in cognitive networks are presented, presenting decision schemes and conventional detection of the cooperative spectrum, the Hard decision and Soft decision methods. Finally, an evaluation of the rules of cooperative sensing in real scenarios is carried out to obtain the conclusions of the work.

[pt] Nesta tese de doutorado foi investigado, por meio de simulações computacionais e em laboratório utilizando Matlab, GNU Radio e GNU Radio Companion (GRC), o desempenho de redes de Rádio Cognitivo com sensoriamento individual (SS) e com sensoriamento cooperativo (CSS) do espectro considerando o algoritmo não paramétrico de detecção de energia e diferentes abordagens deste método de detecção. Foi também implementado um cenário de medição em tempo real usando os equipamentos de rádio definido por software (SDR por suas siglas em inglês) conhecidos como Universal Software Radio Peripheral (USRP). Os cenários de medição consideram a cooperação, baseada na utilização de regras de fusão de dados do tipo hard, no sensoriamento local de sinais de TV Digital por usuários cognitivos não licenciados. A principal contribuição desta tese de doutorado baseia-se na formulação do método de energia combinando os conceitos da teoria clássica do sensoriamento de espectro das redes de Rádio Cognitivo, tanto com sensoriamento individual (SS) como sensoriamento cooperativo (CSS) de espectro, com um cenário de implementação em laboratório levando em conta os requisitos, parâmetros técnicos e de operação do equipamento de medição SDR. / [en] This PhD thesis investigate the performance of cognitive radio networks with single sensing (SS) and cooperative spectrum sensing (CSS) networks through computational and laboratory simulations using Matlab, GNU Radio and the GNU Radio Companion (GRC) computational radio software, considering the non-parametric energy detection method and different approaches to this method. The implementation also includes a real-time measurement testbed scenario using Software Defined Radio (SDR) equipment, known as Universal Software Radio Peripheral (USRP). The measurement scenarios consider the cooperative local sensing of the digital TV by non-licensed cognitive radio users, based on hard fusion rules. The main contribution of this doctoral thesis is based on the formulation of the energy detection method combining the concepts of the classical theory of the spectrum sensing of Cognitive Radio networks, with both individual sensing (SS) and cooperative spectrum sensing (CSS), in a laboratory implementation scenario according to the requirements, technical parameters and operation of the SDR measuring equipment.