alocação dinâmica de espectro (dsa): padrões e normas 1 juergen rochol ([email protected])...
TRANSCRIPT
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
2
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
3
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
4
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
5
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
6
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.
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
7
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)
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
8
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
10
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…
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
11
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)
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
12
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
13
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)
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
14
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
15
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 em andamento
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
16
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
17
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
18
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 em andamento
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
19
ECMA
TGi
TC 48
ECMA-392 MAC and PHY for operation in TV white space
Documento em andamento
Documento concluído
Abreviaturas ECMA: European Computer Manufacturers Association TC: Technical Committee TGi: Tasdk Group i
4. Ecma: European Computer Manufacturers Association
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
20
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
21
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
22
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
23
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
24
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
25
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
26
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
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões e Normas
27
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.