Kitsune : a management system for advanced radio networks based on cognitive functions

Abstract

Considering the current underutilization of radio frequency spectrum for wireless communication, the Cognitive Radio is seen as a key concept to enable the improvement of the radio frequency spectrum utilization. The implementation of cognitive radio devices must be based on the four main cognitive functions: spectrum sensing, spectrum decision, spectrum sharing, and spectrum mobility. Through these functions, a cognitive radio device is able to search for vacant channels to opportunistically transmit in a cognitive radio network. However, cognitive radio networks should be managed, aiming to guaranty the proper operation of the cognitive radio devices, improving the performance of these devices. This management should improve the administrator knowledge about the cognitive radio network operation. Therefore, the configuration, monitoring and visualization of the cognitive functions are fundamental to the continuous knowledge building process of the network administrator. In this paper we propose Kitsune, a management system based on a hierarchical model allowing to manage summarized information about cognitive functions in radio networks. Kitsune is designed to manage all four cognitive functions, enabling the network administrator to configure the cognitive radio devices, monitor the results of each cognitive function, and make important visualizations of these results. Moreover, a Kitsune prototype was developed and evaluated through an experimental IEEE 802.22 scenario. The result obtained show that Kitsune allows the administrator to achieve a better knowledge about the network and improve the average throughput for each channel.

Considerando a atual subutilização do espectro de rádio frequências para comunicação sem fio, o rádio cognitivo é visto como um conceito chave para permitir uma melhoria da utilização deste recurso de comunicação. A implementação de dispositivos de rádio cognitivo deve basear-se nas quatro principais funções cognitivas: sensoriamento espectral, decisão espectral, compartilhamento espectral e mobilidade espectral. Através dessas funções, um dispositivo de rádio cognitivo é capaz de procurar canais livres para transmitir de forma oportunista em uma rede de rádios cognitivos. No entanto, as redes de rádios cognitivos devem ser gerenciadas, com o objetivo de garantir seu pleno funcionamento, melhorando o desempenho destes dispositivos. Este gerenciamento deve melhorar o conhecimento do administrador sobre o funcionamento da rede. Assim, a configuração, o monitoramento e a visualização das funções cognitivas são fundamentais para o processo de aprendizagem contínua do administrador de rede. Neste trabalho, propõe-se Kitsune, um sistema de gerenciamento com base em um modelo hierárquico que permite gerenciar as informações sobre as funções cognitivas em redes de rádios cognitivos. Kitsune é projetado para gerenciar todas as quatro funções cognitivas, permitindo que o administrador da rede possa configurar os dispositivos de rádio cognitivo, monitorar os resultados de cada função cognitiva e analisar importantes visualizações destes resultados. Além disso, um protótipo de Kitsune foi desenvolvido e avaliado por meio de um cenário experimental baseado na norma IEEE 802.22. O resultado obtido mostra que Kitsune fornece ao administrador um melhor conhecimento sobre a rede, melhorando a taxa de transferência média para cada canal.