Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz RC em ISM de 2,4 GHz Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz Juergen Rochol (juergen@inf.ufrgs.br ) Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS Instituto de Informática Grupo de Comunicação de Dados RC na faixa de ISM de 2,4 GHz

Radio Cognitivo em Sistemas ISM de 2,4 GHz AGENDA As Faixas ISM em UHF e SHF Principais Sistemas que disputam espectro nas faixas de ISM: WLAN, WPAN e WSN (Wireless Sensor Networks). Técnicas de Transmissão na faixa de ISM de 2,4 GHz: DSSS, FHSS e OFDM Canalização de WLAN (Wi-Fi) (IEEE 802.11b, g) na faixa de 2,4 GHz Canalização da WPAN tipo IEEE 802.15.1 (Bluetooth) na faixa ISM de 2,4 GHz Canalização do BLE (Bluetooth Low Energy) na faixa ISM de 2,4 GHz Canalização do ZigBee (IEEE 802.15.4) na faixa ISM de 2,4 GHz Sensoriamento Espectral na faixa ISM de 2,4GHz Exemplo de aplicação: FHA (Frequency Hopping Adaptative) RC na faixa de ISM de 2,4 GHz

Canais WLAN IEEE 802.11a U-NII 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 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz

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

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 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz

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

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

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

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

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. RC na faixa de ISM de 2,4 GHz

Vencedor RC na faixa de ISM de 2,4 GHz

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

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

Modulação GFSK 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 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz

- 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. RC na faixa de ISM de 2,4 GHz

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

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8. Sensoreamento Espectral na faixa de ISM de 2,4GHz Sensoriamento espectral na faixa de ISM de 2,4 GHz corresponde a uma largura de banda de 83,5 MHz A decisão sobre espectro (ou canais) disponível para operar um determinado sistema deve ser rápida e periodicamente atualizada (adaptativo). 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 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) 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 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz

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. RC na faixa de ISM de 2,4 GHz

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) RC na faixa de ISM de 2,4 GHz

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) RC na faixa de ISM de 2,4 GHz

RC em ISM de 2,4 GHz 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 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz

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- 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 RC na faixa de ISM de 2,4 GHz

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

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