Sondeo compresivo aplicado a la detección eficiente de espacios en blanco en señales multibanda - validación metodológica

Compressive sensing applied to efficient white spaces detection in multiband signals - methodological validation

En este artículo se propone un algoritmo de sondeo de espectro de banda ancha como mecanismo de validación de la metodología de sondeo compresivo para el procesamiento eficiente de señales propuesta en un trabajo anterior; en este sentido, se aborda el problema de sondeo de espectro en sistemas de Radio Cognitivo (CR) desde una perspectiva diferente a la tradicional, donde el sondeo de espectro se realiza mediante algoritmos que muestrean la señal de Radio Frecuencia (RF) a altas tasas, iguales o superiores a la tasa de Nyquist. Los resultados de simulación demuestran que la metodología de sondeo compresivo propuesta permite satisfacer el desarrollo de algoritmos de sondeo de espectro y por consiguiente, extender su aplicación en general al procesamiento digital de señales. La eficiencia de los resultados obtenidos al realizar el desarrollo metodológico contra los resultados obtenidos en desarrollos no metódicos se evidencian en el desempeño del algoritmo de sondeo propuesto, el que, presenta un mejor desempeño en términos de la probabilidad de detección, omisión de detección y de falsa alarma que otros algoritmos propuestos recientemente.

INTRODUCCIÓN

En la actualidad, la demanda de servicios de comunicaciones inalámbricas ha crecido de manera exponencial, lo que ha producido que se hable de una saturación del espectro, situación que no necesariamente es correcta, dado que existen bandas de frecuencias que están siendo subtilizadas, donde el ejemplo más evidente son las bandas asignadas para la prestación del servicio de televisión; por tanto, en general, existen huecos espectrales que en algunos casos son permanentes, y en otros, se producen en determinados momentos sobre algunas bandas de frecuencia; lo que implica un dilema ya que, por un lado, los usuarios de algunos servicios como los móviles, no cuentan con la suficiente cantidad de espectro para transmitir pero, de otra parte, algunas bandas espectrales no se encuentran completamente en uso. Para resolver este dilema surge Radio Cognitiva, la que es una tecnología propuesta en comunicaciones inalámbricas en la que, tanto los dispositivos de red y la red en sí misma, tienen la capacidad de cambiar sus parámetros de transmisión para establecer una comunicación en la cual se haga uso eficiente de los recursos de radio, sin interferir con los usuarios a quienes se les ha concedido el derecho legal de utilización de las bandas espectrales subutilizadas (usuarios licenciados o usuarios primarios). La alteración de parámetros de transmisión se basa en el monitoreo de ciertos factores en el entorno de radio, dentro de estos, uno de los más importantes es el estado del espectro, el que se obtiene mediante la implementación de la función de sondeo de espectro, que a su vez permite realizar el proceso de acceso dinámico de espectro.

Para lograr este propósito, los dispositivos de CR deben tener la capacidad de identificar con una alta probabilidad la ubicación de los espacios en blanco (WS) (sub-banda ocupada solo por ruido) disponibles en una banda ancha de interés, adicionalmente, realizar el sondeo de espectro es una tarea que implica grandes retos desde la perspectiva de los recursos computacionales requeridos, ya que implementar esta función utilizando los métodos tradicionales como lo son el detector de energía [1-2], sondeo por filtro adaptado [2-4], sondeo por características ciclo-estacionarias (2, 5-6) y detector wavelet [7-9] entre otros, implica realizar el muestreo del espectro de banda ancha a tasas por encima de la tasa de Nyquist; es por ello, que resulta atractivo implementar un nuevo paradigma denominado Sondeo Compresivo (SC) [10-12], proporciona una manera eficiente de muestrear y procesar señales dispersas, en las cuales la cantidad de términos o componentes significativas (diferentes de cero) es muy pequeña comparado con la cantidad de componentes totales de la señal, o señales que pueden ser aproximadas adecuadamente por señales dispersas, es decir, que se pueden aproximar por una expansión en términos de una base adecuada, que solo tiene algunos términos significativos.