Il contesto tecnologico

White Spaces e sistemiradio cognitivi

Alberto Perotti, Sergio Benco, Floriana CrespiIntegrated Networks Lab R&D Department, CSP

Outline

� Uso opportunistico dello spettro esistemi radio cognitivi

� Le funzioni principali

� Le osservazioni

� Gli sviluppi in CSP

� Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white spaces

CSP Plenary Meeting 2011 - INLab 2White Spaces - aspetti tecnologici

Outline

� Uso opportunistico dello spettro esistemi radio cognitivi

� Le funzioni principali

� Le osservazioni

� Gli sviluppi in CSP

� Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white spaces

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Uso opportunistico dello spettro

� Opportunità trasmissive

� Canali di comunicazione che, in una data area e per un dato intervallo di tempo, non risultano utilizzati

� ...da utenti che effettuano trasmissioni in bande non soggette a concessione di licenza

� ...da utenti che hanno acquisito la licenza di trasmettere –primary users (PU) – ma, per varie ragioni, non lo fanno

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Tratto da:L. Tong, Cornell Univ.ICSSC 2008

Uso opportunistico dello spettro

� Opportunità trasmissive

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Tratto da C. Cordeiro et al.,“IEEE 802.22: An Introduction to the First Wireless Standard based on Cognitive Radios,”Journal of Communications, VOL. 1, NO. 1, Apr 2006.

Sistemi radio cognitivi

� Sistemi radio cognitivi� acquisire conoscenza sull’utilizzo dei canali di

radiocomunicazione in prossimità dell’area in cui si opera� impiegare tecniche trasmissive opportune

� ...al fine di favorire la coesistenza� tra i sistemi primari ed i sistemi cognitivi: secondary users (SU)� tra un sistema cognitivo ed altri sistemi cognitivi eventualmente operanti

nella stessa area e nelle stesse bande

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Tratto da:L. Tong, Cornell Univ.ICSSC 2008

Sistemi radio cognitivi

� Possibili architetture

� Sistemi basati su infrastruttura (IEEE 802.22 cognitive wireless regional area network – WRAN)

� Struttura formata da base station (BS) ed apparati d’utente

� La BS coordina le operazioni di trasmissione all’interno della cella

� Possono/devono accedere a data base georeferenziati contenenti informazioni relative alle trasmissioni

� Sistemi autonomi� Si basano esclusivamente su ossevazioni locali (sensing

autonomo)� Possono scambiarsi le informazioni di sensing mediante

un canale di controllo (sensing distribuito)

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Sistemi radio cognitivi

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White Spaces BS

WSD

Backhaulconnection

WSD

WSD

WLAN

Infrasctructure-based WS system

Autonomous WS system

WLAN AP

router Cable conn.

WSD

WSD

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� Uso opportunistico dello spettro esistemi radio cognitivi

� Le funzioni principali

� Le osservazioni

� Gli sviluppi in CSP

� Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white spaces

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Principali funzioni di un sistema CR

� Riferimento: lo standard IEEE 802.22� Approvato a fine 2010� Definisce un sistema di radiocomunicazione cognitivo punto-

multipunto per l’accesso radio alle reti dati (WRAN) in grado di operare come sistema secondario nelle bande destinate al broadcasting televisivo ed altre trasmissioni a bassa potenza

� Il sistema è formato da� una base station (BS)� uno o più customer premises equipment (CPE)

� Livello fisico� Codifica di canale e modulazione adattative ad elevata efficienza

spettrale (fino a 3.78 bits/s/Hz)� Modulazioni a portanti multiple (OFDM)� Accesso multiplo di tipo OFDMA� Tecniche di codifica di canale (FEC) ad elevate prestazioni

(turbo codici, LDPC)

� Livello MAC� Servizio di tipo punto-multipunto� Meccanismi per consentire la coesistenza con altre reti 802.22

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Schemi di comunicazione

� Confronto con lo standard 802.16 (WiMAX)� Codifica di canale e modulazione: simili alle

tecniche usate nel DVB-T

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Tratto da:C. R. Stevenson et al.,“IEEE 802.22: The First Cognitive RadioWireless Regional Area Network Standard,”IEEE Communications Magazine, Gennaio 2009.

Schemi di comunicazione

� Schemi di codifica e modulazione� QPSK � 64QAM, code rate: 1/2 � 5/6

� Velocità di trasmissione (canale di 6 MHz):� 4.54 Mbits/s � 22.69 Mbits/s

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Tratto da:C. R. Stevenson et al.,“IEEE 802.22: The First Cognitive RadioWireless Regional Area Network Standard,”IEEE Communications Magazine, Gennaio 2009.

Principali funzioni di un sistema CR

� Funzioni cognitive

� Coordinate dallo Spectrum Manager (lato BS)

� La BS deve conoscere la propria posizione e al posizione di tutti i CPE che fanno parte della rete

� Sistema di radiolocalizzazione, sia alla BS che al CPE

� La BS deve avere accesso ad un data base contenente � Informazioni relative alle trasmissioni primarie� Informazioni relative ad altri sistemi 802.22 operanti

nella stessa nell’area

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Gestione dello spettro

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Tratto da:C. R. Stevenson et al.,“IEEE 802.22: The First Cognitive RadioWireless Regional Area Network Standard,”IEEE Communications Magazine, Gennaio 2009.

Gestione dello spettro

CSP Plenary Meeting 2011 - INLab 15White Spaces - aspetti tecnologici

Tratto da C. Cordeiro et al.,“IEEE 802.22: An Introduction to the First Wireless Standard based on Cognitive Radios,”Journal of Communications, VOL. 1, NO. 1, Apr 2006.

� Bandwidth aggregation(channel bonding)

� Il sistema WRAN può operare nel canale N solo se il canale N-1 ed il canale N+1 sono bianchi.

� È possibile aggregare canali non contigui

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� Uso opportunistico dello spettro esistemi radio cognitivi

� Le funzioni principali

� Le osservazioni

� Gli sviluppi in CSP

� Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white spaces

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White Spaces - aspetti tecnologici 17

Campagna di misure dello spettro radio nelle bande UHF televisive (Usseglio)

Le osservazioni

Intervallo di frequenze:470-862 MHz (canale 21-69 banda UHF)

Strumentazione:analizzatore di spettro R&S(Resolution BW: 10 KHz,Freq. span: 128 MHz)

Antenne: 1) Omnidirezionale (AN4786, 2dBi)2) Direttiva (LT-860, 70°V, 70°O, 9dBi)

Modulo CSP Spectrum Sensing DVB-T basato su USRP2

3rd site

Usseglio towersite

1st & 2nd

site

White Spaces - aspetti tecnologici 18

Usseglio tower site measurements

Omnidirectional antenna (2 dBi), BW: 470-862 MHz

ch26 514 MHz

Eremo (TO)RAI MUX3

ch30 546 MHz

GermagnanoRAI MUX2

ch40 626 MHz

GermagnanoRAI MUX4

ch49 698 MHzCorio (TO)MEDIASETMUX4

Only channel 26 (RAI MUX3) could be received with acceptable quality by a portable DTV receiver (OMNI ANT)

White Spaces - aspetti tecnologici 19

Usseglio tower site measurements(Log-periodic antenna, beamw.:70°, G=9 dBi)

Direction: North, Pol: Vert

Direction: North, Pol: Horiz

White Spaces - aspetti tecnologici 20

Third site: Usseglio valley measurements (Log-periodic antenna, beamw.: 70°, G=9 dBi)

Direction: North, Pol: Vert

Direction: North, Pol: Horiz

White Spaces - aspetti tecnologici 21

Third site: Usseglio valley measurements (Log-periodic antenna, beamw.: 70°, G=9 dBi)

Direction: West, Pol: Vert

Direction: West, Pol: Horiz

MUXRETEA1 MUX 4

Mediaset

White Spaces - aspetti tecnologici 22

Third site: Usseglio valley measurements (Log-periodic antenna, beamw.: 70°, G=9 dBi)

Direction: East, Pol: Vert

Direction: East, Pol: Horiz

White Spaces - aspetti tecnologici 23

Third site: Usseglio valley measurements (Log-periodic antenna, beamw.: 70°, G=9 dBi)

Direction: South, Pol: Vert

Direction: South, Pol: Horiz

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� Uso opportunistico dello spettro esistemi radio cognitivi

� Le funzioni principali

� Le osservazioni

� Gli sviluppi in CSP

� Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white spaces

CSP Plenary Meeting 2011 - INLab 24White Spaces - aspetti tecnologici

Gli sviluppi in CSP

� Realizzazione di prototipi di sistemi e reti wirelesscognitive operanti nei white spaces

� Uso di software open-source come framework per lo sviluppo di librerie specifiche

� Uso di dispositivi a basso costo programmabili e riconfigurabili come front-end analogici a radiofrequenza per la realizzazione dei prototipi

CSP Plenary Meeting 2011 - INLab 25White Spaces - aspetti tecnologici

Gli sviluppi in CSP

� Un modulo di trasmissione e ricezione ad elevata efficienza spettrale

� Utilizza gli schemi di codifica di canale e modulazione del DVB-T, opportunamente modificati per la trasmissione a pacchetti

� Velocità di trasmissione stimata di oltre20 Mbit/s su una banda di 8 MHz

CSP Plenary Meeting 2011 - INLab 26White Spaces - aspetti tecnologici

Gli sviluppi in CSP

� Un modulo di spectrum sensing per la determinazione dell’occupazione dei canali DVB-T

� Utilizza algoritmi di rilevamento delle trasmissioni ad alte prestazioni basati sulle caratteristiche di ciclostazionarietà dei segnali OFDM usati nelle trasmissioni televisive digitali

� Consente, in certe condizioni, di rilevare trasmissioni DVB-T a livelli di 25 dB inferiori rispetto al livello minimo di segnaleconsentito per i ricevitori standard

CSP Plenary Meeting 2011 - INLab 27White Spaces - aspetti tecnologici

Gli sviluppi in CSP

� Un modulo di spectrum sensing per la determinazione dell’occupazione dei canali DVB-T

CSP Plenary Meeting 2011 - INLab 28White Spaces - aspetti tecnologici

White Spaces - aspetti tecnologici 29

PNEST = -93.03 dBm (USRP2)

Sensitivity = -110 dBm

Gli sviluppi in CSP

Prestazioni del sistema di spectrum sensing di CSP

SNR (PD=0.9) = -17 dBSymbols = 100Tdet= 112.00 ms + Tproc

Tratto da:S. Benco et al. (CSP – ICT Innovation),articolo presentato al worshop“Cognitive Radio and Networking forCooperative Coexistence of HeterogeneousWireless Networks” della COST Action 0902.

White Spaces - aspetti tecnologici 30

DVB-T Spectrum sensing usingSoftware Defined Radio: first results

-110dBmPD = 90%

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� Uso opportunistico dello spettro esistemi radio cognitivi

� Le funzioni principali

� Le osservazioni

� Gli sviluppi in CSP

� Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white spaces

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Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white spaces

� Al segnale televisivo (primario) che viene trasmesso mediante trasmetittori o ripetitori può essere sovrapposto, mediante opportune tecniche, un segnale in modo da formare un canale di segnalazione ausiliario a basso bit-rate

� La segnalazione ausiliaria viene usata per diffondere, insieme col segnale primario, le informazioni sulla eventuale disponibilità di white spaces nell’area servita

� La degradazione del segnale primario dovuta alla sovrapposizione della trasmissione ausiliaria viene compensata dalla maggiore potenza attribuita al segnale complessivo. In tal modo, la qualità percepita non viene ridotta.

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Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white spaces

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Primary TX

DVB-TEncoder-modulator

Auxiliary signalling

Encoder-modulator

DVB-T receiver

Primary RX

EnhancedDVB-T receiverWS

transceiver

EnhancedDVB-T receiverWS transceiver

WLAN AP

WLAN

TV set

MPEGTS

Primary communication (broadcast)

Secondary communication

WLAN AP

router Cable conn.

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