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RC na faixa de ISM de 2,4 GHz1 Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz Juergen Rochol Universidade Federal.

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1 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz1 Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz Juergen Rochol Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS Instituto de Informática Grupo de Comunicação de Dados

2 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz2 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 b, g) na faixa de 2,4 GHz 5.Canalização da WPAN tipo IEEE (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 ) na faixa ISM de 2,4 GHz 8.Sensoriamento Espectral na faixa ISM de 2,4GHz 9.Exemplo de aplicação: FHA (Frequency Hopping Adaptative)

3 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz3 1. As Faixas de ISM em UHF e SHF Canais WLAN IEEE a 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: B T = 83,5 MHZ Propagação típica na faixa: LOS e NLOS

4 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz4 As Faixas ISM no Espectro de Freqüências definidas pelo ITU-R

5 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz5 2. Principais sistemas que disputam espectro nas faixas de ISM WLANs como IEEE (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

6 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz6

7 7 3. Técnicas de Transmissão na faixa ISM de 2,4 GHz DSSS, FHSS e OFDM 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

8 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz8 Espalhamento Espectral por Seqüência Direta Técnica de transmissão DSSS

9 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz9 Processo de Espalhamento Espectral O processo de espalhamento espectral da informação (transmissor) e o subseqüente processo de recuperação da informação (receptor)

10 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz10

11 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz11 Versão de um Sistema DSSS para múltiplos usuários é conhecido como CDMA

12 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz12 Técnica de Transmissão FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) O padrão define: 79 canais 22 padrões de salto Tempo de permanência máxima por canal; 400ms.

13 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz13 Vencedor

14 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz14

15 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz15 Resumo das Características de Transmissão de sistemas WLAN E WPAN na faixa ISM de 2,4 GHz

16 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz16 Tipos de modulação utilizados em canais na faixa ISM de 2,4 GHz

17 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz17 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

18 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz18 - 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.

19 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz19

20 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz20 As classes 1 e 2 do Bluetooth core podem ser muito poluidoras na faixa de 2,4 GHz

21 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz21

22 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz22

23 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz23

24 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz24

25 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz25

26 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz26 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

27 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz27 Possíveis estratégias para as métricas de SS na faixa ISM de 2,4 GHz para WPANs e WLANs Para rádios de WLANS tipo , 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.

28 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz28 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)

29 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz29 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)

30 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz30 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

31 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz31

32 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz32 - Woodings, R. W., Gerrior, M, Avoiding Interference in the 2,4 GHz ISM Band, 2006, disponível em: Estratégia de SS seqüencial para Bluetooth com Técnica de transmissão FHSS. Vantagem; é mais preciso e confiável, porém mais custoso

33 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz33 - Rele, K. et ali. A Two-tiered Cognitive Radio System for Interference Identification in 2,4 GHz ISM Band. IEEE CCNC 2010, Proceedings, 2010.

34 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz34


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