Revisión al Desarrollo de la Tecnología de Radio Cognitiva en Bandas
VHF – UHF en el Ecuador

Review of the Development of VHF - UHF Bands Cognitive Radio
Technology in Ecuador

Andy Vega

Universidad Nacional de Loja

Loja, Ecuador

[email-masked]

Orcid: 0000-0003-0106-6880

Resumen— La
paulatina demanda, sobreutilización y subutilización espectral son factores que
han denotado, a nivel gubernamental y de investigación, una búsqueda de
soluciones legales y tecnológicas para optimizar el uso del espectro
radioeléctrico. Bajo este argumento, el documento aborda una revisión al estado
del arte sobre la aplicación de la tecnología de Radio Cognitiva (RC) sobre
redes de sensores inalámbricos cognitivos (CWSN, Cognitive
Wireless Sensor Networks), o de reúso espectral para la explotación de forma
mejorada del espectro radioeléctrico en bandas VHF – UHF en el Ecuador. Esta
recopilación u observación permitiría identificar el estado del arte para el
desarrollo del proyecto de investigación “Smart UNL”, que pretende desplegar
una red de sensores inalámbricos basados en Radio Cognitiva (RC), para control
de luminarias dentro de un Smart Campus. Los resultados evidencian cero
aprovechamientos del concepto fundamental de RC para este tipo de aplicaciones,
ya que los trabajos investigados se orientan a otro tipo de estudios de
telecomunicaciones RC, lo que entrevé un amplio campo de aplicación y
desarrollo de CWSN para una posible gestión y control de componentes de un
Smart Campus.

Palabras Clave: Telecomunicaciones, Radio,
Cognitiva, Frecuencia, Espectro, Inalámbricas.

Enviado: 28/09/2018                                       Aceptado: 13/05/2020                                     Publicado:
30/06/2020

Sumario: I. Introducción, II. Radio cognitiva
(RC), III. Radio cognitiva en el mundo, IV. Redes de sensores inalámbricos,
V. Contexto de radio cognitiva en Ecuador para Smart Campus. Una revisión,
VI. Conclusión y trabajo futuro.

Como citar: Vega, Andy. (2020). Revisión al Desarrollo de la
Tecnología de Radio Cognitiva en Bandas VHF – UHF en el Ecuador. Revista Tecnológica - Espol, 32(1). Recuperado a
partir de
http://www.rte.espol.edu.ec/index.php/tecnologica/article/view/680

https://doi.org/10.37815/rte.v32n1.680

Abstract— Review of the
Development of VHF-UHF Band Cognitive Radio Technology in Ecuador Gradual
demand, overuse and under-utilization of the spectrum are factors that have
denoted, at the government and research levels, a search for legal and
technological solutions to optimize the use of the radio spectrum. Under this
argument, the document addresses a review of the state of the art on the
application of Cognitive Radio (CR) technology on Cognitive Wireless Sensor
Networks (CWSN) or spectral reuse for the improved exploitation of the radio
spectrum in VHF - UHF bands in Ecuador. This collection or observation would
allow the identification of the state of the art for the development of the
research project "Smart UNL" that intends to deploy a network of
wireless sensors based on Cognitive Radio (CR) for control of luminaires within
a Smart Campus. The results show that the fundamental concept of CR for this
type of application is not being exploited since the researched work is
oriented towards other types of CR telecommunications studies, which suggests a
wide field of application and development of CWSN for the possible management
and control of components of a Smart Campus.

Keywords: Telecommunications, Radio, Cognitive, Frequency, Spectrum, Wireless.

I. INTRODUCCIÓN

El desarrollo
de las telecomunicaciones a nivel mundial representa una reingeniería continua
de sus aspectos técnicos, administrativos y legales. La gestión del espectro radioeléctrico
no deja de ser un tema de gran interés para los gobiernos de turno y, en
particular, para los entes técnicos responsables de su administración y
control. Será entonces de gran importancia desarrollar mecanismos tecnológicos
que puedan ser partícipes de una mejora en la explotación espectral,
aprovechando las instancias de subutilización o infrautilización de frecuencias
que, medios como la radio y televisión, ocasionan durante su normal operación.
Los sistemas de Radio Cognitiva (RC) sin duda se han establecido como una
tentativa de aplicación en las tecnologías de telecomunicaciones; por ser una
forma de comunicación inalámbrica, en la que un transceptor inteligente puede
detectar los canales de comunicación que se están utilizando y los que no se
están utilizando, y al instante pasar a los canales no empleados, evitando al
mismo tiempo los ocupados. Esto optimiza el uso del espectro de radiofrecuencias
(RF) y la posibilidad de reducir al mínimo la interferencia a otros usuarios
[2]. En la actualidad, el desarrollo de los sistemas cognitivos ha tenido un
moderado despliegue, derivado de condiciones de carácter mundial donde las
presiones de los diferentes mercados para establecer estándares y
normalizaciones se hace cada vez más fuerte y, donde a su vez, se debe mantener
flexibilidad suficiente para permitir la innovación tecnológica de empresas, compañías
e instituciones. Ante este escenario, la Universidad Nacional de Loja a través
del proyecto “Smart UNL”, busca posicionar su propia arquitectura Smart donde
además se investiga la posibilidad de implementar técnicas de comunicaciones apegadas
a la optimización espectral como lo considera RC, todo esto originado por la penetración de
las redes inalámbricas en nuestra sociedad, habiendo previsiones de crecimiento
muy elevadas con la irrupción del Internet de las Cosas (IoT).
Sin embargo, esta interconexión masiva desboca en la aparición de
inconvenientes como son primordialmente la saturación del espectro
radioeléctrico o las interferencias provocadas entre sistemas, lo que repercute
en la calidad del servicio y por lo tanto supone un problema para la conexión
de elementos. Será entonces importante recapitular el contexto de los
sistemas de Radio Cognitiva, conocer su penetración, aplicación y desarrollo actual,
principalmente en el Ecuador, con el afán de aplicarla dentro del diseño y
despliegue de redes de sensores inalámbricos, que, dicho sea de paso, al lograr
su funcionamiento pueden ser útiles para la gestión y control de un sin número
de componentes IoT en los denominados Smart Campus.

II. RADIO
COGNITIVA (RC)

La necesidad
de innovación en diferentes sistemas de telecomunicaciones, demandadas por las
nuevas necesidades sociales, provocó la intromisión de novedosos conceptos y
tecnologías para soportar el avance de las comunicaciones, y específicamente,
en los sistemas inalámbricos. Así, Joseph Mitola III
en 1991 involucró el término Radio definido por Software (SDR o Radio Software),
con el objeto de referirse a un tipo de radios configurables y reprogramables,
equipos donde elementos de hardware son capaces de realizar diferentes
funciones en distintos instantes de tiempo, con la introducción de cambios en
su configuración mediante software [2]. El concepto SDR surge para solucionar
parcialmente inconvenientes de compatibilidad e interoperabilidad en redes
inalámbricas, ya que establecen un conjunto de procedimientos y técnicas
orientadas a realizar el procesamiento de señales de información por medio de
un dispositivo de propósito general, el cual puede ser modificado mediante
software, logrando así un cambio dinámico, automático y eficiente entre
tecnologías, sin tener que incurrir en gastos/costes por concepto de nuevos
equipos y evitando incrementos considerables en el tamaño de éstos [4].

2.1.-
Redes de Radio Cognitiva – (CRNs)

Las CRNs, o redes de acceso dinámico al espectro (Dynamic Spectrum Access Networks, DSANs),
brindan un gran ancho de banda a los usuarios móviles a través de arquitecturas
heterogéneas inalámbricas y técnicas de acceso dinámico al espectro (Ver Figura
1). El uso eficiente del espectro existente puede mejorarse, a través del
acceso oportunista por usuarios secundarios, a bandas con licencia o sin
licencia, donde se asegura la no creación de interferencias. Sin embargo, las CRNs imponen retos a la investigación debido a los
problemas técnicos que aún se presentan, donde varios de estos inconvenientes
requieren de soluciones eficientes.

Figura 1.- Arquitectura de una CR

2.2.-
Capacidad Cognitiva

La capacidad
cognitiva de una RC permite la interacción, en tiempo real, con un ambiente de
radiofrecuencia para determinar parámetros de comunicación apropiados y,
adaptarse al entorno radio de modo dinámico. Los pasos requeridos se muestran
en la figura 2 y se los conoce como ciclo cognitivo.

Detección del Espectro. - La RC analiza las bandas de
espectro disponibles, recoge su información, y después detecta los white spaces (espacios vacíos o
huecos espectrales) en el espectro.

Análisis del Espectro. - Consiste en evaluar las
características de los huecos espectrales que han sido detectados en el primer
paso.

Decisión Espectral. - La RC determina la tasa de datos, el
modo de transmisión y el ancho de banda de transmisión.

Después la banda de espectro apropiada se escoge teniendo en
cuenta las características del espectro y los requerimientos de los usuarios
[5].

Figura 2.- Ciclo cognitivo

2.3.-
Detección de Espectro

Los sistemas de Radio Cognitiva se
muestran como una alternativa tecnológica para el uso eficiente del espectro
radioeléctrico. Su capacidad de detectar partes del espectro, que están o no
siendo usadas por las diferentes señales emitidas por usuarios múltiples y
legítimos de los servicios de telecomunicaciones, la hacen capaz de transmitir
en bandas de frecuencia como televisión y radiodifusión. Para ello existe una
clasificación de usuarios: los primarios y los secundarios. Los usuarios
secundarios pueden tener acceso y compartir el espectro si los usuarios
primarios están inactivos o, en caso de que los niveles de señal primaria
emitida sean insignificantes para la recepción [2]. Existen tres técnicas de
detección del espectro: detección de energía, detección por filtro adaptado y
detección ciclo estacionaria. Cada una de ellas ofrece menor o mayor
complejidad de operación y así mismo baja o alta capacidad de detección. El uso
de cada una de ellas depende de la cantidad de información disponible,
referente a las señales primarias que se encuentran en el aire.

III. RADIO COGNITIVA EN EL MUNDO

Con motivo de
buscar eficiencia en el uso del espectro, alrededor del planeta se han
desarrollado varias propuestas de arquitectura radio cognitiva. Por ejemplo,
CR1 desarrollada por Joseph Mitola, se basa en
la utilización de un lenguaje de representación del conocimiento de radio para
establecer las adaptaciones de la radio RKRL (Radio Knowledge
Representation Language).
Este lenguaje simboliza la noción de radio de un conjunto de lenguajes
naturales y modelos basados en computador [6].

Así mismo, xG
es un concepto de Sistema y Tecnología desarrollada por el DoD (Departamento de Defensa de los Estados Unidos) para el
acceso dinámico a todos los recursos de frecuencia. Las redes Ad–Hoc y su
crecimiento despiadado, con topologías dinámicas y cada vez más complejas,
estimuló la necesidad de instituir nuevas alternativas de acceso al espectro.
Por lo tanto, la tecnología XG se muestra conveniente para la implementación de
arquitecturas de red centralizadas o no, mostrando flexibilidad con respecto al
límite de interferencia deseado. Es importante resaltar el estándar IEEE 802.22,
como el primero basado en tecnología de radio cognitiva, conocido como WRAN
(Wireless Regional Área Networks). El objetivo preponderante es el
acceso al ancho de banda en áreas rurales o remotas con un alto rendimiento,
incluso comparable con tecnologías de acceso a banda ancha existentes en la
actualidad [8] y [9].

Finalmente, distintos sistemas basados en
redes de radio cognitiva han aparecido como alternativas de mejora en el
aprovechamiento del espectro y su explotación. Adapt4, CORTEKS, Spectrum pooling, Corvus, Kuar, SPARTA, KNOWS,
OCRA, entre otros, son parte de un grupo de tecnologías propietarias
fundamentadas en la CR. Su desarrollo aún es limitado.

IV. REDES
DE SENSORES INALÁMBRICOS COGNITIVOS

Las redes de
sensores inalámbricos cognitivos tienen como objeto funcionar dentro de
espacios frecuenciales que mantienen o no usuarios primarios activos, y de esta
forma apoyan a la compartición de espectro de usuarios inalámbricos, con
licencia y sin licencia, dentro de una misma área geográfica. Como es de
esperarse, los mayores retos radican en la no interferencia de los usuarios
primarios que usan su red, y además en brindar una fina distribución de tiempo
y frecuencia a los usuarios secundarios.

Existen
algunos proyectos que se han dedicado a manejar este concepto innovador y
original. SENDORA, por ejemplo, consiste en desarrollar un “Sensor de Redes
apoyado en una Radio Cognitiva”, que ayudará a resolver este problema gracias a
la introducción de redes de sensores y capacidades de redes asociadas. El
proyecto WISERNETS (Radio cognitiva de Software) tiene como objetivo principal
describir los límites fundamentales y el diseño de nuevos algoritmos, para la
detección del espectro distribuido en WSN radio asistida cognitiva, lo que le
permite tomar decisiones dependiendo de dónde están los claros espectrales o
viceversa.

Todos estos
proyectos, y algunos otros basados en RC, pero no pensados para el control de
dispositivos en un Smart Campus, mantienen un punto de vista técnico, donde se
proponen técnicas innovadoras en detección de espectros y de actuación para
identificar claros espectrales, considerando la coexistencia de radios
cognitivas con tecnología primaria autorizada, sin forjar interferencias
dañinas. Finalmente, el diseño, la dimensión y la conexión de las redes
inalámbricas de sensores están tratados a fondo.

V. CONTEXTO DE RADIO COGNITIVA
EN

ECUADOR PARA SMART CAMPUS.
UNA REVISIÓN

La aceptación e incorporación de nuevas y variadas tecnologías de
telecomunicaciones en nuestro país se han desarrollado de manera progresiva y
perseverante, y las redes de fibra óptica y telefonía celular como los
principales nichos de proyección de las comunicaciones del país. Otras
aplicaciones tecnológicas que ofrecen servicios de telecomunicaciones son los
sistemas inalámbricos de banda ancha WI-FI y CDMA 450, que por ejemplo son
usadas para servir múltiples usuarios con voz y datos dando mayor énfasis en
sitios remotos o rurales.

Por otra parte,
las tecnologías para enlaces inalámbricos basadas en Radio Cognitiva en fase de
explotación no aparecen, encontrándose únicamente en etapas de estudio o
investigación. Con la
intención de ejecutar una búsqueda minuciosa se consulta los repositorios
bibliotecarios de los principales centros de educación e investigación superior
del Ecuador, los mismos que se encuentran en la capacidad de aportar con
investigaciones que vinculen a la tecnología RC. Como se mencionó anteriormente, la
intención de este trabajo será evidenciar si el concepto de Radio Cognitiva ha
logrado ser usado en Redes de Sensores Inalámbricos Cognitivos, con el afán de
su aplicación en el control y gestión de infinidad de componentes en un Smart
Campus.

Un primer
análisis de los Sistemas de Radio Cognitiva en el Ecuador se desarrolló en el
año 2006 bajo el proyecto de titulación denominado “Análisis del Estándar
IEEE 802.22 (Wireless Regional Área Network (WRAN)) y su posible implementación
en el Ecuador”; ahí se expresan los conceptos del sistema inicial WRAN y
las exigencias funcionales como la base para la creación de ese estándar. A lo
largo del estudio se muestran los requerimientos obligatorios que hacen posible
que un sistema WRAN pueda actuar en un ambiente proveedor de servicios de
Internet. Así mismo, se da un ejemplo de análisis sobre la implementación de
una estación base WRAN en áreas rurales y remotas de la provincia de Loja,
donde el acceso de tecnologías de banda ancha por cable es completamente
limitado, y es donde se concluye que la elección de una tecnología inalámbrica
es lo más factible [10].

Más adelante, en el año 2010 en la Escuela Politécnica Nacional (EPN) se
presenta un nuevo trabajo vinculado a los sistemas de Radio Cognitiva,
denominado “Análisis de Factibilidad Para la Utilización de Cognitive Radio (Radio Cognitiva) en las Radiocomunicaciones
necesarias para casos de Emergencia en el Ecuador”; luego de una revisión
general de los sistemas de Radio Cognitiva, el autor efectúa un estudio de los
principales aspectos técnicos de SDR (Radio definido por Software) que reconocen
la reconfigurabilidad de los parámetros de operación
de Radio Cognitiva, para consecutivamente constituir las capacidades y ventajas
técnicas que involucran su utilización en las radiocomunicaciones utilizadas en
emergencias. Dicho estudio se complementa con el diseño de un sistema de
radiocomunicaciones basado en RC y su distribución para servir en la ciudad de
Quito, de forma que incorpora de manera práctica el alcance y ventajas que
ofrece esta tecnología [11].

Posteriormente,
se han ejecutado dos trabajos adicionales establecidos como factibilidades
técnicas de implementación. El primero en el año 2014, denominado “Análisis
de factibilidad técnica en la implementación de una red WRAN (IEEE 802.22) en
escuelas y colegios fiscales de sectores rurales y urbanos marginales de la
Provincia del Guayas”, donde se detalla el diseño de una Red WRAN
(Wireless Regional Área Network), establecida bajo el estándar IEEE
802.22 y que, de acuerdo con los resultados obtenidos, en caso de
llevarse a cabo, permitiría proporcionar a escuelas y colegios fiscales de
sectores marginales de la Provincia del Guayas servicios de telecomunicaciones
[13]; y el segundo que explica una solución tecnológica basada en WRAN -
802.22 para la automatización de un sistema de lectura remota de los medidores
de energía eléctrica,  denominado “Factibilidad
técnica de implementación de Smart Metering en zonas
rurales con Tecnologías de Radio Cognitiva en los espacios en blanco de
televisión” [14].

Otro estudio
de relevancia se presenta dentro de la región norte de nuestro país y se
encuentra expuesto en el documento “Sensing
TVWS with open source technology in Ecuador”, el cual construye la
caracterización de los espacios en blanco de la televisión (TVWS) como
parámetro principal para concientizar sobre la existencia de espectro radio
eléctrico subutilizado, el cual podría ser utilizado para solventar a través de
reúso espectral las necesidades de conectividad de zonas desfavorecidas [15].

Para el año
2015, en la Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) se presenta el
trabajo “Sensado de Espectro de Banda Ancha Basado en Muestreo Sub-Nyquist
para Radio Cognitivo”; el trabajo únicamente tiene como objetivo realizar
la identificación de las posibles oportunidades espectrales, basado en la
implementación de la función de sensado de espectro de banda ancha, utilizando
muestreo sub_nyquist para sistemas de radio
cognitivo. En esta misma institución también se trabaja en el proyecto: “Diseño
de un Algoritmo de predicción de canales disponibles en el rango de frecuencia
asignada a televisión basado en Markov, para lograr
acceso dinámico al espectro en ambientes indoor en
zonas Urbanas”, que se enfoca en el diseño de un algoritmo para n canales
conjuntos en la banda de televisión, que permite el análisis predictivo de
disponibilidad en canales conjuntos, con la finalidad de asistir en el uso óptimo
de sistemas de acceso oportunistas al espectro, los cuales son de gran utilidad
para solventar la problemática que se ha presentado en los últimos años en
cuanto a la saturación del espectro radioeléctrico.

En el artículo“Análisis del método matemático de detección SVD en
cognitive radio” se estudia el desempeño del método de
descomposición en valores singulares (SVD), aplicado a la detección de usuarios
en una red móvil cognitiva.

En este otro artículo “Estado del Arte, Radio Cognitiva
para Operador de Red Virtual en la Infraestructura de Medición Avanzada”, realizado por Marcelo Camacho Vera
y Esteban Inga Ortega, también involucra a RC en su investigación; este trabajo
se fundamenta en el uso de tecnologías de telecomunicaciones RC como un aporte
para fortalecer y mejorar los sistemas eléctricos de medición avanzada (AMI) o
Smart Grid, que se encarga de la medición inteligente
de energía eléctrica. El objetivo es valerse de un operador móvil de red
virtual para reducir los costos por arrendamiento del espectro de frecuencia
primario [16].

Nuevamente en la EPN, se realiza un
nuevo estudio denominado: “Metodología para la localización de TV White
Spaces en zonas rurales del Distrito Metropolitano de Quito mediante el uso del
software de planificación de red ICS Designer”;
este trabajo se efectúa en el año 2017 e implementa una metodología para
representar la ubicación de los espacios en blanco de televisión (TV White
Spaces) en áreas rurales del DMQ (Distrito Metropolitano de Quito), mediante el
uso de una herramienta de planificación de radiofrecuencias. Para el 2018, se
trabaja en una investigación que ejecuta una simulación de los algoritmos más
utilizados (detección de energía, detección de características ciclo
estacionarias de la señal y detección basada en la transformada Wavelet), con
el fin de conocer cuál de ellos ofrece mejor desempeño en términos de precisión
de detección y utilización de recursos; se titula: “Análisis y simulación de
algoritmos para detección de espectro en radio cognitiva”.

El artículo “Consideraciones para el despliegue de redes basadas en Radio Cognitiva:
Ocupación y Regulación del Espectro”, publicado en el mes de
octubre del año 2019, presenta los
fundamentos de RC, sus beneficios y desafíos, información sobre los estándares
existentes de los sistemas de CR, así como algunos ejemplos de implementación
de estos sistemas, que sugieren que el marco regulatorio y jurídico puede
facilitar o dificultar las experiencias y avances en este campo [19].

Finalmente, aunque el listado de
estudios en el Ecuador sobre la tecnología de Radio Cognitiva no es extenso, no
se han expuesto la totalidad de las investigaciones o trabajos, ya que todos
están referidos o coinciden en acciones de estudio similares: ocupación de
espectro, simulaciones de sensado, acceso al medio inalámbrico, optimización de
radiofrecuencias, diseño de algoritmos, etc.

VI. CONCLUSIÓN Y TRABAJO FUTURO

Es evidente que los sistemas de
Radio Cognitiva en nuestro país no han logrado tomar un protagonismo
significativo, el mismo que sea aplicable en diferentes aspectos donde las
telecomunicaciones basadas en los lineamientos de RC representen un aporte en
muchos de los sectores sociales, productivos y académicos del Ecuador. Ya el
ingeniero Danilo Corral, en el año 2011, propone la idea de crear e identificar
una red piloto con 802.22, donde se sugiere hermanar instituciones
participantes locales o externas; crear una estructura organizacional
jerárquica; conseguir permisos por parte del ente regulador; efectuar pruebas en
las diferentes regiones del país para observar el comportamiento del estándar
802.22; y, finalmente menciona construir un documento técnico que recoja los
datos arrojados en las evaluaciones para la posterior discusión de  los resultados [17]. Pese a las iniciativas,
todo este vasto trabajo no ha llegado a consolidarse y, por tanto, el
perfeccionamiento de las tecnologías de Radio Cognitiva en el Ecuador se
mantiene como un tema abierto para su desarrollo.

Así mismo, se evidencia que, hasta
el cierre de esta revisión de literatura, aún no se han generado temas de
investigación o estudio que pretendan desarrollar redes de sensores
inalámbricos cognitivos en el Ecuador. Pese a que en otros países ya se han
creado algunos trabajos al respecto, queda latente la oportunidad pionera para
contribuir con el despliegue de este tipo de sistemas y, mejor aún,
consolidarlas dentro de aplicaciones IoT en un Smart
Campus, como es la intención de la Universidad Nacional de Loja y su proyecto
Smart UNL.

REFERENCIAS

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[19]     Carro, Gonzalo, Hernández,
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Cognitiva: Ocupación y Regulación del Espectro. Revista Politécnica, volumen 44, 21 – 31