radio cognitivo em sistemas ism de 2,4 ghz

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RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 1 Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz Juergen Rochol ([email protected] ) Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS Instituto de Informática Grupo de Comunicação de Dados

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Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz. Juergen Rochol ( [email protected] ) Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS Instituto de Informática Grupo de Comunicação de Dados. Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz. AGENDA As Faixas ISM em UHF e SHF - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 1

Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

Juergen Rochol ([email protected] )

Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS

Instituto de Informática

Grupo de Comunicação de Dados

Page 2: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 2

Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

AGENDA

1. As Faixas ISM em UHF e SHF

2. Principais Sistemas que disputam espectro nas faixas de ISM: WLAN, WPAN e WSN (Wireless Sensor Networks).

3. Técnicas de Transmissão na faixa de ISM de 2,4 GHz: DSSS, FHSS e OFDM

4. Canalização de WLAN (Wi-Fi) (IEEE 802.11b, g) na faixa de 2,4 GHz

5. Canalização da WPAN tipo IEEE 802.15.1 (Bluetooth) na faixa ISM de 2,4 GHz

6. Canalização do BLE (Bluetooth Low Energy) na faixa ISM de 2,4 GHz

7. Canalização do ZigBee (IEEE 802.15.4) na faixa ISM de 2,4 GHz

8. Sensoriamento Espectral na faixa ISM de 2,4GHz

9. Exemplo de aplicação: FHA (Frequency Hopping Adaptative)

Page 3: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 3

26 MHz

125 MHz

WLAN (IEEE 802.11a)

83,5 MHz

928 MHz

902 MHz

2,4000 GHz

2,4835 GHz

5,725 GHz

5,850 GHz

WPAN ZigBee

WLAN (IEEE 802.11b e g)

WPAN

Faixa de SHF Faixa de UHF

1. As Faixas de ISM em UHF e SHF

Canais WLAN IEEE 802.11a U-NII

(Unlicensed National Information Infrastructure)

Caracteristicas da Faixa ISM de 2,4 GHz

• Freqüências limites: 2,4000 GHz a 2,4835 GHz

• Banda Total disponível: BT = 83,5 MHZ

• Propagação típica na faixa: LOS e NLOS

Page 4: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 4

As Faixas ISM no Espectro de Freqüências definidas pelo ITU-R

Bandas ISM Faixa do espectro de RF

(Confira também figura 2.1) Limite inferior Limite superior

Largura de banda

6,765 6,795 MHz 30 kHz

13,563 MHz 13,567 MHz 4 kHz HF - High Frequency

(3 MHz a 30 MHz)

26,957 MHz 27,283 MHz 326 kHz

VHF (Very High Frequency) (30 MHz a 300 MHz)

40, 660 MHz 40,700 MHz 40 kHz

902 MHz 928 MHz 26 MHz UHF (Ultra High Frequency)

(300 MHz a 3 GHz) 2,400 GHz 2,500 GHz* 100 MHz*

5,725 GHz 5,875 GHz 150 MHz** SHF (Superl High Frequency)

(3 GHz a 30 GHz) 24,000 GHz 24,250 GHz 250 MHz

61,00 GHz 61,50 GHz 500 MHz

122,0 GHz 123,0 GHz 1 GHz EHF (ExtremlyHigh Frequency)

(30 GHz a 300 GHz)

244,0 GHz 246,0 GHz 2 GHz

Faixas ISM atualmente utilizadas pelas WLANs e WPANs * Faixa ISM do FCC, possui limite superior em 2,4835 GHz e portanto, uma largura de banda de 83,5 MHz ** Faixa prevista somente pela FCC, não prevista pela ANATEL (2005)

Page 5: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 5

2. Principais sistemas que disputam espectro nas faixas de ISM

• WLANs como IEEE 802.11 (Wi-Fi)

• WPANs como: Bluetooth, BLE (Bluetooth Low Energy), ZigBee, Wireless Sensor Networks, UWB (Ultra Wide Band)

• Telefones sem fio

• Fornos de microondas (domésticos e industriais)

• Rádio Controle

Page 6: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 6

WPAN Interconexão de

dispositivos eletrônicos

RSSF Redes de

Sensores sem Fio

Bluetooth

(IEEE 802.15.1)

IrDA

Infrared Data Association

BLE (Bluetooth Low Energy)

(IEEE 802.15.1 V.4)

UWB (Ultra Wide Band) IEEE 802.15.4a

RSFAC Redes sem Fio para Aquisição de dados

e Controle

ZigBee IEEE 802.15.4

WBA Wireless Building Automation

]

WHA Wireless Home Automatin

Wireless HART Controle de processos

WBAN Wireless Body Área Networks

Wireless Healthcare Networks

Wireless Body Área Network

Telemonitoring System for Healthcare

Wireless biomedical sensor networks

Redes sem Fio de Área pessoal - WPAN

WPAN Wireless Personal

Área Networks

Page 7: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 7

3. Técnicas de Transmissão na faixa ISM de 2,4 GHzDSSS, FHSS e OFDM

Sinal original

Sinal direct sequence

transmitido

Amplitude

a) Espalhamento do sinal

Freqüência

Amplitude

Bit 0 Bit 1

b) Seqüência de Barker

Tempo

10110111000 01001000111

• Na técnica de transmissão DS-SS, cada tempo de bit é dividido em n subintervalos denominados chips. • Para transmitir 1 bit, uma estação deve enviar uma seqüência de chips, isto é, representa-se cada bit segundo uma seqüência pseudo-randômica de símbolos binários.• Para enviar o bit 0, utiliza-se o complemento desta seqüência. • O espalhamento do espectro do sinal ocorre de fato, pois, para uma transmissão de 1 Mbit/s, tem-se o envio de 11 Mchip/s

Técnica DSSS

Page 8: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 8

Espalhamento Espectral por Seqüência Direta

Técnica de transmissão DSSS

Espectro do sinal de informação NRZ

Espectro após espalhamento DS-SS

1/Te -1/Te 1/Tb -1/Tb

Legenda: Tb : tempo de um bit Te : tempo de um chip 1/Tb = : Taxa de bit [bit/s] 1/Te = Taxa de espalhamento [chip/s] Be : Banda de espalhamento fb : Banda do sinal de informação

Be

fb

Ganho de Processamento )/(

)/(

sbitTaxa

schTaxaG

No. de chips/bit No. Sequencias No. de Sistemas

11 1 1 15 2 2 31 6 6

Page 9: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 9

Processo de Espalhamento Espectral

O processo de espalhamento espectral da informação (transmissor) e o subseqüente processo de recuperação da informação (receptor)

C

B

A

Exclusiv OR

Fluxo de informação

Portadora Digital ou Sequencia PN

Fluxo Digital modulado

C = A B

C

B

A Exclusiv

OR Fluxo de informação

Portadora Digital ou Sequencia PN

Fluxo Digital modulado

A = C B

Processo de Espalhamento Espectral do sinal de Informação

Processo de Recuperação do sinal de informação

Page 10: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 10

0 1 0 1 1 0 0 1 0

0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1

0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1

Recepção

A Dados de Entrada

B Fluxo de bits

pseudo aleatório

C = AB Sinal

Transmitido

C Fluxo

recebido

B Fluxo de bits

pseudo aleatório

CB = A Dados Saída

0 1 0 1 1 0 0 1 0

Transmissão

Page 11: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 11

Receptoror DS-SS

D(t) x C(t) x Cos t D(t) x Cos t

Informação D(t)

Código PN Local C(t)

Cos t

Correlacionador

Modulador Digital

Portadora de RF

Modulador de RF (PSK)

Transmissor DS-SS

D(t) x C(t) x Cos t

D(t) x C(t)

Antena

Informação D(t)

Código PN Local C(t)

Bipolar NRZ

Cos t

Portadora Digital

Versão de um Sistema DSSS para múltiplos usuários é conhecido como CDMA

Page 12: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 12

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

Canais RF

Time Slots

Colisão

Sequencia 1 Sequencia 2

Técnica de Transmissão FHSS

(Frequency Hopping Spread Spectrum)

O padrão 802.11 define:79 canais

22 padrões de salto

Tempo de permanência máxima por canal; 400ms.

Page 13: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 13

Comparativo entre DSSS e FHSS

DSSS FHSS

Tempo de latência baixo Tempo de latência alto

Ganho de processamento -> melhor SNR Sem Ganho de processamento

Sincronização rápida do rádio Sincronização mais lenta do rádio

Sem tempo de permanência (dwell time) Tempo de permanência nos canais: 400ms

Vazão total maior Vazão total menor

Vencedor

Page 14: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 14

Transmissão OFDM

Características do OFDM IEEE 802.11a e g em 5GHz

e 2,4 GHz respectivamente e canais de 20 MHz

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52

Sub portadora

central nula

Sub portadora

piloto

Sub portadora

piloto

Sub portadora

piloto

Sub portadora

piloto

1- Total de sub-portadoras: 52 2- Total de sub-portadoras Piloto: 4 3- Total de sub-portadoras de Dados 48 4- Espaçamento entre sub-portadoras: 312,5 KHz

5- Largura nominal de um canal: 20 MHz 6- Largura de banda ocupada: 16,25 MHz 7- Taxa em baud por sub-portadora: 250 Kbaud 8- Taxa total canal: 12 Mbaud

Page 15: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 15

Resumo das Características de Transmissão de sistemas WLAN E WPAN na faixa ISM de 2,4 GHz

Tipo Rede

Padrão Faixa de frequencia

Técnica Transm.

Banda

utilizada

Canais (DSSS) Subcanais (FHSS)

Subportadoras (OFDM)

Modulação de canal

Taxa transmissão

IEEE 802.11 2,4 GHz FHSS DSSS

83,5 MHz 22 MHz

79 subcanais de 1 MHz 3 canais

GFSK DBPSK

1 e 2 Mbit/s

IEEE 802.11 a 5,x GHz OFDM 20 MHz 52 subportadoras. QAM-n 54 Mbit/s

IEEE 802.11 b 2,4 GHz DSSS 22 MHz 3 canais QAM-n 5,5 e 11 Mbit/s

IEEE 802.11 g WiFi 2,4 GHz OFDM 20 MHz 52 subportadoras. QAM-n 54 Mbit/s

WLAN

IEEE 802.11 n 2,4 GHz OFDM 20/40 MHz 56/114 subportadoras QAM-n 4 x 150 Mbit/s

IEEE 802.15.1 Bluetooth

2,4 GHz FHSS 83,5 MHz 79 subcanais de 1 MHz GFSK 720 kbit/s

IEEE 802.15.1 V.4 (BLE)

2,4 GHz FHSS 83,5 MHz 40 subcanais de 2 MHz GFSK <0,3 Mbit/s

IEEE 802.15.4

ZigBee

868 MHz Eur.

915 MHz USA

2,4 GHz USA

DSSS (G=15)

DSSS (G=15)

DSSS (G=8)

0,6 MHz

2 MHz

3 Mhz

1 canal

10 canais

16 canais

BFSK

BFSK Offset-QPSK

20 kbit/s

40 kbit/s

250 kbit/s

WPAN

IEEE 802.15.3 UWB

Page 16: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 16

Tipos de modulação utilizados em canais na faixa ISM de 2,4 GHz

Tipo de Modulações em WPAN e WLAN

BFSK Binary FSK ZigBee

GFSK Gaussian Binary FSK Bluetooth e BLE

DBPSK Diferential Binary PSK WLAN IEEE 802.11

QPSK Quaternary PSK ZigBee

QAM n Quadrature Amplitude Modulation de ordem n WLAN IEEE 802.11a e g (OFDM)

Page 17: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 17

0 1 0 1 1 0

0 1 0 1 1 0

0 1 0 1 1 0

Filtro Gaussiano (B.T)=0,5)

tempo

Tb

Tb

Tb

(a) Sinal NRZ polar (b) Sinal modulante

(d) Sinal modulado GFSK

Amplitude

Amplitude

Amplitude

Tb

Erro de cruzamento de zero (jitter)

fmax=fc+f

fmin=fc-f

Amplitude Cruzamento de

zero ideal

(c) Padrão olho do sinal modulante

tempo

tempo

tempo

A modulação GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) (a) Sinal banda base NRZ polar do fluxo de bits (b) Sinal banda base na saída do filtro Gaussiano – sinal modulante (c) Padrão Olho do sinal modulante(d) Sinal modulado GFSK

Modulação GFSK

Page 18: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 18

- Até 14 canais de 22 MHz de largura de banda cada- 3 canais sem sobreposição de banda (canais 1, 6, 11 USA e 1, 7, 13 EU)- Taxa máxima de 11 Mbit/s por canal

- Uma vazão total de 33 Mbit/s no mesmo espaço físico, mas com 3 pontos de acesso distintos e 3 cartões de rádio diferentes.

Banda ISM 2,4 GHz (Bt=83.5 MHz)

2,400 2,410 2,420 2,430 2,440 2,450 2,460 2,470 2,480 2,485GHz

2,401GHz fc: 2,412 GHz 2,423 GHz

B: 22 MHz

Canal 1 - IEEE 802.11b

Utilização da Banda ISM em 2,4 GHz pelo IEEE 802.11 b

Banda total ISM em 2,4 GHz Bt=83,5 MHz (2400 MHz a 2483,5 MHz)

Canalização em WLAN tipo IEEE 802.11b

14 canais sobrepostos com largura de 22 MHz Utilização simultânea canais 1, 6 e 11 (americano)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Numeração Canais

IEEE 802.11b ((Wi-Fi)

4. Canalização de WLAN (Wi-Fi) (IEEE 802.11b, g) na faixa de 2,4 GHz

Page 19: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 19

Canal 6 IEEE 802.11

Canal 1 IEEE 802.11

Canal 11 IEEE 802.11

3 MHz

Canal 23 - Bluetooth IEEE 802.15.1

1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 79 No. canal

2,400 2,410 2,420 2,430 2,440 2,450 2,460 2,470 2,480 2,485 GHz

2423,5 MHz fc: 2424 MHz 2424,5 MHz

B: 1 MHz

Numeração Canais IEEE 802.15.1

(Bluetooth)

1,5 MHz

Utilização da Banda ISM em 2,4 GHz pelo IEEE 802.15.1

Banda total ISM em 2,4 GHz Bt=83,5 MHz (2400 MHz a 2483,5 MHz) Canalização IEEE 802.15.1 B=79 MHz (79 canais de 1 MHz de largura) Banda de guarda inferior 1,5 MHz Banda de guarda superior 3,0 MHz

Canal 79 Canal 1

Banda efetiva IEEE 802.15.1: B=79 MHz

Banda total ISM 2,4 GHz (Bt=83.5 MHz)

5. Canalização da WPAN IEEE 802.15.1 (Bluetooth) na faixa ISM de 2,4 GHz

Page 20: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 20

Classes de potência e alcances em Bluetooth.

Máxima potência de saída

Alcances indoor Alcances no espaço livre

Classe 1 100 mW ou 20 dBm 42 m 300 m Classe 2 2,5 mW ou 4 dBm 16 m 50 m Classe 3 1 mW ou 0 dBm 10 m 30 m

As classes 1 e 2 do Bluetooth core podem ser muito poluidoras na faixa de 2,4 GHz

Page 21: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 21

Parâmetros do canal físico (canal de RF) do Bluetooth (IEEE 802.15.1)

Produto banda por tempo de bit do filtro (B.Tb) B.Tb = 0,5

Jitter no cruzamento zero do sinal modulante (j) j Tb/8 = 0,125 μs

Tipo de modulação GFSK (Gaussian shaped binary FSK)

Índice de modulação () do FSK 0,28 0,35

Desvio de freqüência (f) do FSK 140 kHz f 175 kHz

Freqüência central dos canais de RF fc = 2402 + k [MHz] com k=0, 1,...,78

Numeração dos canais (M) M=k+1 com k=0, 1,...,78

Classe 1: 100 mW (20 dBm), alcance 42m

Classe 2: 2,5 mW (4 dBm), alcance 16m

Potência máxima

Classe 3: 1 mW (0 dBm), alcance 10m

Duração de um time slot 625 μs

Tempo de chaveamento entre frequências 220 μs

Taxa de transferência efetiva máxima skbitR máximaefetiva /2,723

Page 22: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 22

Versões do Bluetooth e taxas de dados associadas

Versão Bluetooth

Ano de Lançamento

Taxa transmissão Mbit/s

Taxa transferência

Mbit/s

Observação

Core V1.1 Fevereiro 2001 1 0,7

Core V1.2 Novembro 2003 1 0,7

Core V2.0 + EDR Novembro 2004 1 a 3 0,7 a 2,1

Core V2.1 + EDR Julho 2007 1 a 3 0,7 a 2,1

Core V3.0 + HS Abril 2009 24 Mbit/s - Canal Wi Fi

Core V4.0 (BLE) Junho 2010 Wibree ou Bluetooth Low Energy (BLE)

Page 23: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 23

Comparativo entre o Bluetooth Classico e o Bluetooth Low Energy

Parâmetro Bluetooth clássico Bluetooth Low Energy (BLE)

Banda de Frequencia 2400 a 2483,5 MHz 2400 a 2483,5 MHz

Técnica de Espalhamento spectral Frequency Hopping Frequency Hopping

Técnica de modulação GFSK GFSK

Índice de modulação 0,35 0,5

Total de canais 79 40

Largura de banda de canal 1 MHz 2 MHz

Taxa de transmissão de dados 1 a 3 Mbit/s 1 Mbit/s

Taxa de informação 0,7 a 2,1 Mbit/s < 0,3 Mbit/s

Nodos por escravo ativo 7 Sem limite

Robustez de chave de segurança 56 a 128 bits 128 bits AES

Serviço de voz Possível Não

Consumo de Energia 1 0,1 a 0,05 vezes menor

Page 24: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 24

Wi-Fi Canal 6 Wi-Fi Canal 11 Wi-Fi Canal 1 2,5 MHz

Canal 5 - Bluetooth IEEE 802.15.1

2,400 2,410 2,420 2,430 2,440 2,450 2,460 2,470 2,480 2,485 GHz

2413 MHz fc: 2414 MHz 2415 MHz

B: 2 MHz

1 MHz

Utilização da Banda ISM em 2,4 GHz pelo IEEE 802.15.1

Banda total ISM em 2,4 GHz Bt=83,5 MHz (2400 MHz a 2483,5 MHz) Canalização IEEE 802.15.1 B=80 MHz (40 canais de 2 MHz de largura) Canais de anúncio [37, 38, 39] Conjuntomin de Canais usáveis com WiFi [9, 10, 21, 22, 23, 33, 34, 35, 36] Banda de guarda inferior 1 MHz Banda de guarda superior 2,5 MHz

Banda efetiva IEEE 802.15.1: B=80 MHz

Banda total ISM 2,4 GHz (Bt=83.5 MHz)

37 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 38 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 39

6. Canalização do BLE (Bluetooth Low Energy) na faixa ISM de 2,4 GHz

Page 25: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 25

5 MHz

Banda ISM 2,4 GHz (Bt=83.5 MHz)

2,400 2,410 2,420 2,430 2,440 2,450 2,460 2,470 2,480 2,485GHz

3 MHz

7. Canalização do ZigBee (IEEE 802.15.4) na faixa ISM de 2,4 GHz

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Numeração Canais IEEE 802.15.4 (Zig Bee)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

902 906 908 910 912 914 916 918 920 922 924 928

3 MHz

Banda ISM 902 MHz (Bt=26 MHz)

Canalização do ZigBee na faixa ISM de 902 MHz

868,0 868,6

ZigBee: 1 canal ISM de 868 MHz

0,6 MHz

Page 26: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 26

8. Sensoreamento Espectral na faixa de ISM de 2,4GHz

1. Sensoriamento espectral na faixa de ISM de 2,4 GHz corresponde a uma largura de banda de 83,5 MHz

2. A decisão sobre espectro (ou canais) disponível para operar um determinado sistema deve ser rápida e periodicamente atualizada (adaptativo).

3. A técnica de SS mais uitilizada é a de energia (RSSI*), já que não existe o conceito de usuário primário e secundário na banda ISM de 2,4 GHz

4. Com transmissão FHSS o sensoriamento deve resultar num conjunto de canais possíveis de utilização. Este número deve ser re-avaliado periodicamente e é utilizado pelo algoritmo de FHA (Frequency Hopping Adaptative)

5. Em DSSS e OFDM é importante o canal de operação a ser definido. Deve ser tal que apresente o mínimo de interferência e deve ser reavaliado periodicamente.

* Received Signal Strength Indicator

Page 27: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 27

Possíveis estratégias para as métricas de SS na faixa ISM de 2,4 GHz para WPANs e WLANs

Para rádios de WLANS tipo 802.11, com DSSS ou OFDM, o SS mais efetivo e rápido é em relação à ocupação (energia) dos canais 1, 6 e 11, simultaneamente e feito periodicamente, para definir o canal a ser ocupado.

Para evitar interferência de WLANs em WPAN Bluetooth (ou BLE) com FHSS,, estas devem fazer SS periódico dos canais de WLAN e a partir disso inferir periodicamente o numero de subcanais livres na faixa ISM.

Redes WPAN do tipo Zigbee com FHSS, não interferem entre si e sofrem pouca interferência devido a co-redes WPANs Bluetooth. Devem evitar os sub-canais que estão dentro dos espectros de canais WLANs ocupados.

Page 28: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 28

Fatores de performance a serem considerados em SS na faixa ISM de 2,4 GHz

• Precisão na detecção da ocupação de um canal (energia).

• SS deve atuar de preferência sobre toda a faixa de ISM de 2,4 GHz

• Baixa ter complexidade computacional e custo baixo.

• Consumo de energia baixo

• Tempo de resposta da função de SS deve ser baixo

• O SS deve ser feito periodicamente e por demanda (Taxa de erro elevada)

Page 29: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 29

Dikmese, S., Renfors, M. Optimized FFT and Filter Bank based Spectrum Sensing for Bluetooth Signal, 2012 IEEE Wireless Communication and Networking Conference: PHY and Fundamentals.

AFB: Analisys Filter Bank

Analise de espectro em subbandas baseado em detecção de energia para sinais de Bluetooth (Tempo de SS deve ser menor que tempo de salto)

Page 30: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 30

Fluxograma de um algoritmo de FHA (Frequency Hopping Adaptive) para BLE supondo ativos três canais de WiFi (1, 6, 11) na banda de ISM de 2,4 GHz.

Ver slide 21

Canal usável Canal não

usável

fn: canal atual

37mod)(1 iff nn

]8,..,2,1,0[][

9mod)(

1

kcomff

fkFazendo

kn

n

37mod)(1 iff nn

Canal usável Canal não usável fn

Salta para fn+1

fn+1

Canal não usável

fn+1

Definições

fn : Número do canal atual. Total de 40 canais possíveis numerados de 0 a 39 Total de 37 possíveis canais de dados: (0, 1,.., 36) Total de 3 canais de anuncio (37, 38, 39) Conjuntomin de canais de dados usáveis com WiFi [fi] = [9, 10, 21, 22, 23, 33, 34, 35, 36] i : numero aleatório escolhido no intervalo [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]

fn= fn+1 fn= fn+1

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RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 31

Exemplo de Aplicação

Um sistema BLE utiliza o seguinte conjunto de canais utilizáveis [9, 10, 21, 22, 23, 33, 34, 35, 36] e se encontra em um dado momento em fn=5 e realiza um salto baseado em i=7 e após em i=3. Supondo que o sistema utiliza o algoritmo FHA do slide 24. Quais os dois próximos canais a serem ocupados pelo sistema.

Temos que;

37mod)(1 iff nn = 1237mod)75(1 nf

Como o canal 12 não é usável então deverá ser re-mapeado em um canal utilizável procedendo como a seguir

Como fn=5, pela expressão do algoritmo tem-se que 59mod)5( k

O canal a ser ocupado será o canal correspondente à k=5 que corresponde à posição seis do conjunto de canais utilizáveis, ou seja, o canal 33.

O próximo salto será obtido pela expressão:

3637mod3637mod)333(37mod)(1 iff nn

Como o canal 36 é usável então o sistema saltará nele

Page 32: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 32

- Woodings, R. W. , Gerrior, M, Avoiding Interference in the 2,4 GHz ISM Band, 2006, disponível em:

http://www.eetimes.design/microvave-rf-design/4012556/

Estratégia de SS seqüencial para Bluetooth com Técnica de transmissão FHSS. Vantagem; é mais preciso e confiável, porém mais custoso

Page 33: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 33

- Rele, K. et ali. A Two-tiered Cognitive Radio System for Interference Identification in 2,4 GHz ISM Band. IEEE CCNC 2010, Proceedings, 2010.

Page 34: Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz

RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 34

Referencias

- Dikmese S. and Renfors, M. Optimized FET and Filter Bank based Spectrum sensing for Bluetooth Signal. IEEE

2012 Wireless Communications and Networking Conference. P.792-797. - Lee S. H., Lee Y. H. Adaptative Frequency Hopping for Bluetooth Robust to WLAN Interference. IEEE

Communications Letter, Vol. 13, N.9 September 2009. - Hanna, S. A., Sydor, J. Spectrum metrics for 2,4 GHz ISM Band Cognitive Radio Applications, IEEE 22nd

International Symposium on Personal , Indoor and Mobile Radio Communications, 2011, p. 2344-2348 - Mander, J. S., Picopoulos, R., Todd, C. Evaluating the Adaptative Frequency Hopping Mechanism to enable

Bluetooth – WLAN Coexistence. University College London, 2010. - Mahalin, N. H. et ali. 2,4 GHz ISM Band Congestion : WLAN and WPAN Performance Analysis. Telematic

Research Group (TRG), Faculty of Electrical Engineering, University Teknologi Malaysia. - Matinmiko, M., et ali. Cooperative Spectrum Occupancy Measurements in the 2,4 GHz ISM Band. VTT

Technical Research Centre of Finland, 2100. - Glisic, S. et ali. Advanced Frequency Hopping Modulation for Spread Spectrum WLAN. IEEE Journal on

Selected Areas in Communication, Vol. 18, No. 1, January 2000. - Rele, K. et alii. A Two-tiered Cognitive Radio System for Interference Identification in 2,4 GHz ISM Band.

IEEE CCNC 2010, Proceedings, 2010. - Golmie, N. Interference in the 2,4 GHz ISM Band: Challenges and Solutions. National Institute of Standard and

Technology, Gaithersburg, Maryland 20899.