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Il contesto White Spaces e sistemi radio cognitivi
- 1. Il contesto tecnologico White Spaces e sistemi radio cognitivi Alberto Perotti, Sergio Benco, Floriana Crespi Integrated Networks Lab R&D Department, CSP
- 2. Outline Uso opportunistico dello spettro e sistemi 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 White Spaces - aspetti tecnologici 2
- 3. Outline Uso opportunistico dello spettro e sistemi 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 White Spaces - aspetti tecnologici 3
- 4. Uso opportunistico dello spettro Opportunit¨¤ 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 ¨C primary users (PU) ¨C ma, per varie ragioni, non lo fanno Tratto da: L. Tong, Cornell Univ. ICSSC 2008 CSP Plenary Meeting 2011 - INLab White Spaces - aspetti tecnologici 4
- 5. Uso opportunistico dello spettro Opportunit¨¤ trasmissive 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. CSP Plenary Meeting 2011 - INLab White Spaces - aspetti tecnologici 5
- 6. Sistemi radio cognitivi Sistemi radio cognitivi acquisire conoscenza sull¡¯utilizzo dei canali di radiocomunicazione in prossimit¨¤ 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 Tratto da: L. Tong, Cornell Univ. ICSSC 2008 CSP Plenary Meeting 2011 - INLab White Spaces - aspetti tecnologici 6
- 7. Sistemi radio cognitivi Possibili architetture Sistemi basati su infrastruttura (IEEE 802.22 cognitive wireless regional area network ¨C 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) CSP Plenary Meeting 2011 - INLab White Spaces - aspetti tecnologici 7
- 8. Sistemi radio cognitivi Backhaul connection White WSD Spaces BS WSD Infrasctructure-based WS system Autonomous WSD WS system WLAN WLAN AP Cable router WSD conn. WSD CSP Plenary Meeting 2011 - INLab White Spaces - aspetti tecnologici 8
- 9. Outline Uso opportunistico dello spettro e sistemi 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 White Spaces - aspetti tecnologici 9
- 10. 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 ¨¨ formato da una base station (BS) uno o pi¨´ 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 CSP Plenary Meeting 2011 - INLab White Spaces - aspetti tecnologici 10
- 11. Schemi di comunicazione Confronto con lo standard 802.16 (WiMAX) Codifica di canale e modulazione: simili alle tecniche usate nel DVB-T Tratto da: C. R. Stevenson et al., ¡°IEEE 802.22: The First Cognitive Radio Wireless Regional Area Network Standard,¡± IEEE Communications Magazine, Gennaio 2009. CSP Plenary Meeting 2011 - INLab White Spaces - aspetti tecnologici 11
- 12. Schemi di comunicazione Schemi di codifica e modulazione QPSK 64QAM, code rate: 1/2 5/6 Velocit¨¤ di trasmissione (canale di 6 MHz): 4.54 Mbits/s 22.69 Mbits/s Tratto da: C. R. Stevenson et al., ¡°IEEE 802.22: The First Cognitive Radio Wireless Regional Area Network Standard,¡± IEEE Communications Magazine, Gennaio 2009. CSP Plenary Meeting 2011 - INLab White Spaces - aspetti tecnologici 12
- 13. 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 CSP Plenary Meeting 2011 - INLab White Spaces - aspetti tecnologici 13
- 14. Gestione dello spettro Tratto da: C. R. Stevenson et al., ¡°IEEE 802.22: The First Cognitive Radio Wireless Regional Area Network Standard,¡± IEEE Communications Magazine, Gennaio 2009. CSP Plenary Meeting 2011 - INLab White Spaces - aspetti tecnologici 14
- 15. Gestione dello spettro Bandwidth aggregation Tratto da C. Cordeiro et al., ¡°IEEE 802.22: An Introduction to the First Wireless (channel bonding) Standard based on Cognitive Radios,¡± Journal of Communications, VOL. 1, NO. 1, Apr 2006. Il sistema WRAN pu¨° operare nel canale N solo se il canale N-1 ed il canale N+1 sono bianchi. ? possibile aggregare canali non contigui CSP Plenary Meeting 2011 - INLab White Spaces - aspetti tecnologici 15
- 16. Outline Uso opportunistico dello spettro e sistemi 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 White Spaces - aspetti tecnologici 16
- 17. Le osservazioni Campagna di misure dello spettro radio nelle bande UHF televisive (Usseglio) 1st & 2nd site Intervallo di frequenze: 3rd site 470-862 MHz (canale 21-69 banda UHF) Strumentazione: analizzatore di spettro R&S (Resolution BW: 10 KHz, Freq. span: 128 MHz) Antenne: Usseglio 1) Omnidirezionale (AN4786, 2dBi) tower 2) Direttiva (LT-860, 70¡ãV, 70¡ãO, 9dBi) site Modulo CSP Spectrum Sensing DVB-T basato su USRP2 White Spaces - aspetti tecnologici 17
- 18. Usseglio tower site measurements Omnidirectional antenna (2 dBi), BW: 470-862 MHz ch30 ch49 ch26 546 MHz ch40 698 MHz 514 MHz Germagnano 626 MHz Corio (TO) Eremo (TO) RAI MUX2 Germagnano MEDIASET RAI MUX3 RAI MUX4 MUX4 Only channel 26 (RAI MUX3) could be received with acceptable quality by a portable DTV receiver (OMNI ANT) White Spaces - aspetti tecnologici 18
- 19. Usseglio tower site measurements (Log-periodic antenna, beamw.:70¡ã, G=9 dBi) Direction: North, Pol: Vert Direction: North, Pol: Horiz White Spaces - aspetti tecnologici 19
- 20. Third site: Usseglio valley measurements (Log-periodic antenna, beamw.: 70¡ã, G=9 dBi) Direction: North, Pol: Vert Direction: North, Pol: Horiz White Spaces - aspetti tecnologici 20
- 21. Third site: Usseglio valley measurements (Log-periodic antenna, beamw.: 70¡ã, G=9 dBi) Direction: West, Pol: Vert Direction: West, Pol: Horiz MUX RETEA1 MUX 4 Mediaset White Spaces - aspetti tecnologici 21
- 22. Third site: Usseglio valley measurements (Log-periodic antenna, beamw.: 70¡ã, G=9 dBi) Direction: East, Pol: Vert Direction: East, Pol: Horiz White Spaces - aspetti tecnologici 22
- 23. Third site: Usseglio valley measurements (Log-periodic antenna, beamw.: 70¡ã, G=9 dBi) Direction: South, Pol: Vert Direction: South, Pol: Horiz White Spaces - aspetti tecnologici 23
- 24. Outline Uso opportunistico dello spettro e sistemi 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 White Spaces - aspetti tecnologici 24
- 25. Gli sviluppi in CSP Realizzazione di prototipi di sistemi e reti wireless cognitive 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 White Spaces - aspetti tecnologici 25
- 26. 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 Velocit¨¤ di trasmissione stimata di oltre 20 Mbit/s su una banda di 8 MHz CSP Plenary Meeting 2011 - INLab White Spaces - aspetti tecnologici 26
- 27. 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 ciclostazionariet¨¤ 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 segnale consentito per i ricevitori standard CSP Plenary Meeting 2011 - INLab White Spaces - aspetti tecnologici 27
- 28. Gli sviluppi in CSP Un modulo di spectrum sensing per la determinazione dell¡¯occupazione dei canali DVB-T CSP Plenary Meeting 2011 - INLab White Spaces - aspetti tecnologici 28
- 29. Gli sviluppi in CSP Prestazioni del sistema di spectrum sensing di CSP SNR (PD=0.9) = -17 dB Symbols = 100 Tdet = 112.00 ms + Tproc PNEST = -93.03 dBm (USRP2) Sensitivity = -110 dBm Tratto da: S. Benco et al. (CSP ¨C ICT Innovation), articolo presentato al worshop ¡°Cognitive Radio and Networking for Cooperative Coexistence of Heterogeneous Wireless Networks¡± della COST Action 0902. White Spaces - aspetti tecnologici 29
- 30. DVB-T Spectrum sensing using Software Defined Radio: first results -110dBm PD = 90% White Spaces - aspetti tecnologici 30
- 31. Outline Uso opportunistico dello spettro e sistemi 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 White Spaces - aspetti tecnologici 31
- 32. Un¡¯architettura cooperativa per l¡¯utilizzo dei white spaces Al segnale televisivo (primario) che viene trasmesso mediante trasmetittori o ripetitori pu¨° 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 disponibilit¨¤ 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 qualit¨¤ percepita non viene ridotta. CSP Plenary Meeting 2011 - INLab White Spaces - aspetti tecnologici 32
- 33. Un¡¯architettura cooperativa per l¡¯utilizzo dei white spaces Auxiliary Primary TX signalling Primary RX Encoder-modulator DVB-T TV set DVB-T receiver Encoder-modulator MPEG TS Enhanced Primary DVB-T communication receiver WLAN (broadcast) WS transceiver WLAN Secondary AP Cable communication router conn. Enhanced DVB-T receiver WS transceiver WLAN AP CSP Plenary Meeting 2011 - INLab White Spaces - aspetti tecnologici 33
- 34. Contatti Alberto Perotti Integrated Networks Laboratory R&D Department mail: alberto.perotti@csp.it tel: +39 011 481 5117 Mobile: +39 342 0711524 CSP innovazione nelle ICT Sede via Livorno 60 - 10144 Torino Edificio Laboratori A1 Tel +39 011 4815111 Fax +39 011 4815001 E-mail: info@csp.it www.csp.it White Spaces - aspetti tecnologici 34