Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas 1 Juergen Rochol ([email protected])...

Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas

1

Juergen Rochol([email protected])

Alocação Dinâmica de Espectro:

Padrões e Normas

Grupo de Pesquisa em Sistemas sem Fio


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Com a escassez cada vez maior de espectro, os dispositivos sem fio buscam alternativas cada vez mais engenhosas para operar em bandas licenciadas, porém ociosas, como canais de TV e bandas ISM

As bandas mais cobiçadas e utilizadas atualmente pelos dispositivos sem fio, são a banda VHF (30 MHz a 300 MHz) e a banda UHF (300 MHz a 3 GHz) onde são encontradas frequências licenciadas como canais de TV analógicos, DTV (TV digital) e microfone sem fio, além de muitos canais de TV ociosos

Os dispositivos que transmitem de forma oportunista nestas bandas em canais de TV (BW=6 MHz) ociosos, são conhecidos como WSDs (White Space Devices) ou também como RC (Radio Cognitivo)

A maioria destes dispositivos tem como objetivo oferecer serviços de WBA (Wireless Broadband Acces) na forma de redes sem fio tipo Mesh ou Ad-Hoc com cobertura regional, por isso chamadas de WRAN (Wireless Regional Area Network). Um exemplo deste tipo de rede é a Rede IEEE 802.22

Realidade sobre o boom de Sistemas sem fio


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Conceito de Rádio Cognitivo

• Rádio Cognitivo (CR) é um termo cunhado por Joe Mitola em alguns artigos seus e na sua tese de doutorado (1999-2000).

• O termo CR designa rádios inteligentes que tem condições de tomar decisões a partir de informações obtidas do ambiente de RF através de um modelo de raciocínio.

• Rádio Cognitivo pode igualmente aprender e planejar baseado na sua experiência passada

• Este tipo de inteligência exige que o RC tenha os seguintes predicados:

Tenha conhecimento de si mesmo (Self-aware) Conheça a sua composição

(Content-aware)

Conheça o contexto em que opera (Context-aware) e

Vamos focar nesta apresentação o contexto espaço/espectro de um sistema RC


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Espectro Eletromagnético - Conceito e Alocação

102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021

106 105 104 103 102 101 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13

Espectro de Radiofrequências Infravermelho Ultravioleta Raios X Raios

Luz visível

Freqüência [Hz]

Comprimento de onda [m]

Largura de banda do canal: B= f2- f1

fc: Freqüência da portadora

fc

f2

Exemplo de Canal de radiofreqüência f1

Designação (ITU) Freqüência [Hz] Comprimento de onda

ULF Ultra Low Frequency 300Hz a 3000Hz 1000km a 100km

VLF Very Low Frequency 3kHz a 30kHz 100km a 10km

LF Low Frequency 30kHz a 300kHz 10km a 1km

MF Medium Frequency 300kHz a 3000kHz 1km a 100m

HF High Frequency 3MHz a 30MHz 100m a 10m

VHF Very High Frequency 30MHz a 300MHz 10m a 1m

UHF Ultra High Frequency 300MHz a 3000MHz 1m a 10cm

SHF Super High Frequency 3GHz a 30GHz 10cm a 1cm

EHF Extremely High Frequency 30GHz a 300GHz 1cm a 1mm

UHF LF VHF MF HF SHF EHF VLF ULF

Faixa de 1GHz a 10 GHz é ótima para redes sem fio móveis

Faixa de 30 MHz a 300 MHz é ótima para redes sem fio fixas


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λ=1800 nm ou f=166.1012 Hz ou

f=166THz

100 400 500 600 700 750 1800 3000 nm

Ultravioleta Espectro Visível Infravermelho

Diminui o comprimento de onda Aumenta o Comprimento de Onda Aumenta a Frequência Diminui a Frequência Fótons de maior Energia Fótons de menor energia

λ=750 nm ou f=428.1012 Hz ou

f=428THz

Banda Passante da Fibra Óptica B˜ 262 THz

O espectro visível e invisível

Comunicações Ópticas

- Redes fixas (WAN)

- Alto desempenho Uma única fibra óptica tem uma largura de banda 5000 vezes maior que todo o espectro de

radiofrequencia


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Características de Propagação em Sistemas sem Fio em função da freqüência

1. Quanto maior a frequência, mais se acentuam os fenômenos da reflexão e difração de radiofrequências e mais facilmente o sinal contorna obstáculos.

2. Em altas frequências se acentuam os fenômenos de fading, multipath e doppler, principalmente devido mobilidade.

3. Com o aumento da frequência as exigências de linha de visada (LOS) diminuem e cresce a condição de NLOS.

4. A primeira solução para resolver o problema da escassez de canais é a reutilização espacial de frequência como em redes celulares

5. Redes celulares são Redes sem fio do tipo ponto a multiponto.


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Primeira solução para economizar espectro de frequências

Reutilização espacial de frequências As redes celulares são a chave para conseguir a mobilidade para o usuário e reutilização de

frequências.

A Estação móvel se conecta a uma estação rádio base (ERB) fixa.

A ERB numa célula dispõe de um número limitado de canais de RF para se comunicar com as estações móveis localizadas nesta célula.

Células adjacentes utilizam conjuntos de frequências diferentes para evitar interferências

Se a densidade de usuários numa determinada área geográfica aumentar, pode-se facilmente segmentar uma célula em células menores e assim dobrar ou triplicar o número de usuários nesta região.

Reuso espacial dos canais de RF

via células

Rede Telefônica fixa Pública

Base de Dados de gerencia de

Mobilidade

Célula Estação Móvel A

(EM)

Centro de Comutação

Móvel

Estação Rádio Base

(ERB)

AC Centro de

Autenticação

Estação Móvel B

(EM)


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Reuso espacial de frequências em redes celulares Para se conseguir a reutilização das frequências em uma rede celular e assim conseguir a cobertura de uma área geográfica maior, define-se um esquema de repetição de diferentes conjuntos de canais de RF, de tal forma que as células adjacentes a uma célula contenham sempre conjuntos de canais diferentes.

T: número total de canais disponíveis para o sistema N: número de conjuntos (também chamado de fator de reutilização) C: número canais por conjunto

C

TNou

N

TC

Utilizando-se uma célula hexagonal, pode-se mostrar que N pode assumir somente valores definidos pela seguinte expressão:

,...3,2,1,0,).(22 kjcomkjkjN Desta forma, obtemos para N os seguintes valores: N = 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, e assim por diante. Podemos definir também uma distância d entre os centros de duas células

adjacentes dado por 3Rd , e uma distância mínima D entre duas células com as mesmas frequências,

Nd

DouN

R

D 3


9

7 7

4

4

2 2

7

5 4

6

7

2

2

5

4

7

3 3

5

6

2

2 1

7

1

5 1

1 7

1

5

6

7

7 1 2

1

5

2

1 2

1

2 6

3

6

5

4

6

3

3

4

4

3

6

3

5

7

4

6

3

4

3

4

6

3

5

3

2

7 2

4

6

5

- Padrão de repetição com N=7 (círculo) - D: Distância mínima entre células com mesma frequência - d: distância entre centros de células adjacentes - R: raio de uma célula

R

D

d

Reuso de frequências com fator N=7


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Definição 2:O que pode ser alocado dinamicamente em sistemas de Radio Cognitivo são:

1. CANAIS de RF (White Space). Ex. Canal de TV de 6 MHz)

2. Canais para FHA (Frequency Hopping Adaptative). Ex. WPAN, Sistemas celulares, WLAN) (Ex. FHSS)

3. Partilhamento de CAPACIDADE ociosa de um canal em sistemas de acesso múltiplo (Ex. OFDMA, CDMA, DSSS)

Definição 1:

Sistemas sem fio que utilizam Acesso por Alocação Dinâmica de Espectro, DSA (Dynamic Spectrum Access), são definidos como sendo Sistemas de Rádio Cognitivo (SRC), mas não são os únicos.

Algumas Definições…


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Definição 3

Dynamic Spectrum Access: Is the real-time adjustment of Spectrum Utilization in response to changing circumstances and objectives. (Segundo o padrão P1900.1 do SCC41 do IEEE)

Definição 4

Cognitive Radio: Is a type of Radio in which communication systems are aware of their environment and internal state and can make decisions about their radio operating behavior based on that information and predefined objectives. (Segundo o padrão P1900.1 do SCC41 do IEEE)


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Funções Cognitivas em Sistemas de Rádios Cognitivos- Sensoriamento Espectral (SS),

- Cognitive Pilot Channel (CPF)

- Salto de Frequências Adaptativo (FHA) em FHSS,

- Alocação dinâmica de Espectro (DSA)

- Geo-localização

- Banco de dados com informação espectral partilhada

- etc, etc.

Observação

Um sistema Rádio-Cognitivo pode utilizar uma ou mais funções cognitivas


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Organismos Internacionais e Nacionais envolvidos na Normalização Regulação e Padronização de CRS com DSA

1. ITU através do ITU-R

2. IEEE através do comitê SCC41 e o IEEE 802

3. ETSI (European Telecom. Standard Institute) através do TC-RRS (Reconfigurable Radio System)

4. ECMA (Eurpean Computer Manufacturers Association) através do TC 48

5. INMETRO, Através da DITEL Diretoria de telecomunicações

6. ANATEL (Agencia Nacional Telecomunicações)


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ITU

SM 2152: Definitions of SDR and CRS

(Report 2009)

Draft CPM text on WRC-12 Agenda item 1.19 Software-Defined Radio (SDR) and Cognitive

Radio Systems (CRS), 2012

CRS in the land mobile service above 30 MHz (excluding IMT) - 2012

Cognitive Radio Systems specific for International Móbile Telecommunications Systems, Nov.2011

WP 1B

WP 5A

M.2242 ITU-R

Documento em andamento

Documento concluido

Abreviaturas CPM: Conference Preparatory Meeting CRS: Cognitive Radio System SDR: Software Defined Radio WP: Working Party WRC-12: World Radio Conference 2012

1. International Telecommunication Union - ITU


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Ad-hoc

1900.4

1900.1

1900.5

1900.6

1900.1 Definitions and concepts for dynamic spectrum access

1900.4 Architecture for optimized radio resource usage in heterogeneous wireless access networks

P1900.4.1 Interfaces and protocols for optimized radio resource usage in heterogeneous wireless access networks

P1900.4a Architecture and interfaces for dynamic spectrum access networks in white space frequency bands

P1900.5 Policy language requirements and architectures

P1900.6 Spectrum sensing interfaces and data structures

WS radio

SCC41

802

IEEE

802.19

802.21

802.22

802.11

802.11y Wireless LAN: 3650-3700 MHz operation in USA P802.11af Wireless LAN: TV white spaces operation

P802.19.1 TV white space coexistence methods

P802.21 Media independent handover services

P802.22 Wireless RAN: Policies and procedure for operation in the TV bands

P802.22.1 Enhancing harmful interference protection


Documento concluido

Abreviaturas DSA: Dynamic Spectrum Access RAN: Regional Area Network SCC 41: Standard Coordinating Committee 41 WS: White Space

2. IEEE Standards for DSA Networks


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IEEE SCC41

IEEE 1900 - Standards for DSA (Dynamic Spectrum Access) Networks

IEEE 1900.1: Standard Definitions and Concepts for Spectrum Management and Advanced Radio System Technologies IEEE 1900.2: Recommended Practice for Interference and Coexistence Analysis IEEE 1900.3: Standard for Assessing the Spectrum Access Behavior of Radio Systems Employing Dynamic Spectrum Access Methods IEEE 1900.4: Standard for Architectural building blocks enabling network- device distributed decision making for optimized radio resource usage in heterogeneous wireless access networks IEEE 1900.5: Standard on Policy Language and Policy Architectures for Managing Cognitive Radio for Dynamic Spectrum Access Applications IEEE 1900.6: Standard on interfaces and data structures for exchanging spectrum sensing information for dynamic spectrum access systems


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IEEE 802 LAN/MAN Standards

Committee

- IEEE 802.11y Wireless LAN: 3650-3700 MHz operation in USA

- P802.11af Wireless LAN: TV white spaces operation

- P802.19.1 TV white space coexistence methods

- P802.21 Media independent handover services

- P802.22 Wireless RAN: Policies and procedure for operation in the TV bands

- P802.22.1 Enhancing harmful interference protection


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CRS concept

Operation in Withe Space Frequency bands

Coexistence Architecture for cognitive radio networks on UHF white space frequency bands

Potential regulatory aspects of CRS and SDR


Documento concluído

Functional Architecture for RRS

ETSI

WG3

WG1

TC RRS

Abreviaturas CRS: Cognitive Radio System ETSI: European Telecomm. Standard Institute RRS: Reconfigurable Radio System TC: Technical Committee WG: Working Group

Cogtnitive Pilot Channel

3. ETSI: European Telecomm. Standard Institute


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ECMA

TGi

TC 48

ECMA-392 MAC and PHY for operation in TV white space


Documento concluído

Abreviaturas ECMA: European Computer Manufacturers Association TC: Technical Committee TGi: Tasdk Group i

4. Ecma: European Computer Manufacturers Association


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INMETRO

PLATCOG Projeto Plataforma de Rádio Cognitivo DITEL

ANATEL

Órgão Regulador e Fiscalizador. Por enquanto NADA!!

Abreviaturas ANATEL: Agencia Nacional de Telecomunicações DITEL: Diretoria de Telecomunicações INMETRO: Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia PLATCOG: Plataforma de Rádio Cognitivo

5. Normalização de DSA no Brasil


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Regulamentação do Espectro de Frequências para canais de TV de 6 MHz

• Orgãos de Regulamentação e Normatização:ITU-R – International Telecommunication Union Radio Communication Sector

ANATEL – Agência Nacional de Telecomunicações

• Recomendações e Decretos em vigor:

LGT – Lei Geral das Telecomunicações (Lei n. 9472 de 1997)

Decreto n. 4.901 (2003) Sistema Brasileiro de TV digital

Recomendação ITU-R, BT.798-1 Canalização VHF e UHF

• Situação atual dos canais de TV da faixa VHF e UHF

- ANATEL Resolução n. 398/2005 - Plano Básico de distribuição de canais para TV digital

- ANATEL Resolução n. 407/2005 – Distribuição de canais de TV digital por estados (Brasil total: 1893 canais, Rio G. do Sul: 133 canais)

Não há ainda nenhuma resolução da ANATEL em relação a alocação dinâmica de canais de TV para Rádio Cognitivo nas faixas de VHF e UHF


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Calendário da TV Digital no Brasil

Ano Época Etapas

2006 29 de junho Governo decide adotar o padrão japonês para a TV Digital

julho Começa a venda dos primeiros conversores A/D de sinal

2007 2 dezembro Começa a transmissão do sinal digital para a Grande São Paulo

2010 1º Semestre Belo Horizonte, Brasília e Rio de Janeiro recebem o sinal digital

2º Semestre Salvador e Fortaleza recebem o sinal digital

2011 dezembro O sinal digital passa a ser obrigatório em todas as capitais

2013 dezembro Transmissoras e retransmissoras de todas as cidades do país são obrigadas a passar o sinal digital

2016 dezembro O sinal analógico de televisão sai do ar. Todos devem ter aparelhos de televisão HD ou um conversor para ver em TV normal


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Bandas de Freqüência da atual TV

Localização no Espectro de Frequências

Banda Total de Canais*

Designação dos

Canais

VHFVery High Frequency

30 a 328 MHz

Banda baixa: 54 a 88 MHz

5 2 a 6

Banda alta174 a 216 MHz

7 7 a 13

UHFUltra High Frequency

328 a 2,9 GHz

Banda:470 a 890 MHz

70 14 a 83

Total de Canais 82 canais

*Considerando a Largura de Banda de um canal de TV analógico: 6 MHz


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Canais de TV na faixa de VHF e UHF a serem partilhados com uma rede de rádio cognitivo IEEE 802.22

Canais 2, 3, 4 Canais 5 e 6 Canais de 7 a 13

88 MHz

76 MHz

72 MHz

54 MHz

216 MHz

174 MHz

30 MHz 300 MHz Faixa de VHF

42 MHz 18 MHz 12 MHz

Canais 14 - 36 Canais 38 a 59 Canais de 60 a 69

746 MHz

614 MHz

608 MHz

470 MHz

806 MHz

746 MHz

300 MHz 3000 MHz Faixa de UHF

60 MHz 138 MHz 132 MHz Canal 37

Canais baixos de VHF (2 a 6) – inadequados para TVD Canais altos de VHF (7 a 13) – falta uma melhor avaliação para uso em TVD

Canais baixos de UHF (14 a 59 exceto canal 37) – preferidos mundialmente para TVD Canais altos de UHF (60 a 69) – utilização por TVD em estudo

Rádio Astronomia


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Utilização de um canal de TV de 6 MHz pela TV digital

SDTV

4 Mbit/s

SDTV

4 Mbit/s

SDTV

4 Mbit/s

SDTV

4 Mbit/s

EDTV

9 Mbit/s

EDTV

9 Mbit/s

EDTV

6 Mbit/s

EDTV

6 Mbit/s

EDTV

6 Mbit/s

SDTV

4 Mbit/s

SDTV

4 Mbit/s

SDTV

4 Mbit/s

LDTV 2M bit/s

LDTV 2M bit/s

HDTV

19 Mbit/s

HDTV

17 Mbit/s

LDTV 2M bit/s

Possíveis composições de um canal de 6 MHz para transmissão de diferentes tipos de definição de TV digital

HDTV (High Definition TV): 17 a 19 Mbit/s EDTV (Enhanced Definition TV): 6 a 9 Mbit/s SDTV (Standard Definition TV): 4 Mbit/s LDTV (Low Definition TV): 2 Mbit/s Qualquer combinação é possível desde que não ultrapasse a capacidade máxima do canal de 6 MHz que é de 19,2 Mbit/s.

Com a supressão dos canais de TV analógicos, passando para um

sistema de TV totalmente digital o partilhamento dos canais

digitais será mais complicado

6 MHz


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Abreviaturas em Radio Cognitivo

Abreviatura Significado

ATSC Advanced Television Systems Committee CCM Configuration Control Module CCN Cognitive Control Network CCR Cognitive Control Radio CEPT Postal and Telecommunications Administrations CMN Cognitive Mesh Network CPC Cognitive Pilot Channel CPM Conference Preparing Meeting CRS Cognitive Radio Systems CWN Composite Wireless Network DCPC Distributed Cognitive Pilot Channel DSA Dynamic Spectrum Access DSM Dynamic Spectrum Management DSONPM Dynamic Self-organizing Planning and Management DVB-T Digital Video Broadcast-Television DySPAN Dynamic Spectrum Access Networks (SCC41 do IEEE) ECC Electronics Communication Committee ECMA European Computer Manufacturers Association ETSI European Telecommunications Standards Institute FCC Federal Communications Commission JRRM Joint Radio Resources Management MD Mobile Devices PLATCOG Plataforma de radio Cognitivo – Projeto INMETRO RAN Regional Área Network RAT Radio Access Technologies RC Radio Cognitive REM Radio Environment Map RRM Radio Resource Management RRS Reconfigurable Radio System SC Special Committee SCC41 Standards Coordinating Committee 41 do IEEE SDR Software Defined Radio SG Study Group TAG Technical Advisory Grup TC Technical Committee TGi Task Group i TR Technical Report WG Working Group WRAN Wireless Regional Area Network WRC-12 World Radio Conference 2012 WS White Space


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Referências Bibliográficas

- FELIN, S. et al. International Standarization of Cognitive Radio System. In;

IEEE Communications Magazine, March 2011, p.82-89.

- LIMA, M. Aspectos Regulatórios e Padronização. In; Cognitive Wireless Communication Networks. Projeto PLATCOG – Plataforma de Rádio Cognitivo, 2011.

- MUECK, M. et al. ETSI Reconfigurable Radio System: Status and future Directions on Software Defined Radio and Cognitive Radio Standards. In; IEEE Communication Magazine, September 2010.

- SHERMAN, M. et al. IEEE Standards supporting Cognitive Radio and Networks, Dynamic Spectrum Access and Coexistence. In; IEEE Communication Magazine, July 2008.

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