4.4.1
Setup in Ricezione
Dopo aver elaborato una strategia di Channel Sensing che ci permette di avere un’indicazione piu’ ac- curato dello stato dell’interferenza sul canale, generata in banda base sfruttando il simulatore OFDM implementato con Matlab, ci dobbiamo avvicinare ad un caso reale e lavorare con segnali IEEE 802.11g. Per poter lavorare con un segnale di questo tipo e’ stato necessario avvalerci di una scheda di acquisizione Universal Software Radio PeripheralUSRP. Questo piattaforma Hardware fa parte della famiglia delle Software Define Radio prodotte dalla Ettus Reasearch e permette di simulare la ricetrasmissione di una vasta gamma di trasmissioni, tra cui ovviamente quella di interesse in questa tesi, ad un costo relativa- mente contenuto e programmabile tramite i piu’ comuni software per l’analisi di segnali a RF: LabVIEW, Matlab e GNU Radio. La scheda utilizzata per demodulare il segnale Wi-Fi fa parte della categoria B210 che gode delle seguenti caratteristiche:
• Possibilita’ di demodulare segnali a RF le cui portanti sono centrate su frequenze a partire da 70 MHz fino a 6 GHz
• Possibilita’ di trasmissioni MIMO 2X2 con bande fino a 56 MHz • Connettivita’ USB 3.0
L’antenna montata sulla scheda di acquisizione e’ una comune antenna omnidirezionale utilizzata per ricevere il segnale Wi-Fi. Questo set di strumenti viene collegato tramite USB 3.0 al Personal Computer HP sul quale e’ montata la release B 2017 di Matlab.
Figure 4.12: Strumenti utilizzati per la Ricezione
4.4.2
Implementazione dell’algoritmo
Tramite l’utilizzo di Matlab e’ stato possibile programmare la scheda d’acquisizione B210 con l’obiettivo di acquisire il segnale Wi-Fi su sottobande adiacenti di dimensioni 10 MHz che occupano l’intera banda a disposizione pari a 72 MHz. Dopo aver impostato un Clock Rate pari a 40 MHz e un valore di Front End Sample Ratepari a 10 MHz e’ stato possibile settare un Guadagno pari a 70 dB e andare a valutare il livello di interferenza su bande di dimensioni 10 MHz centrate sul seguente vettore di frequenze centrali (misurate in GHz):
Fc= [2.406, 2.412, 2.418, 2.4245, 2.431, 2.437, 2.443, 2.4495, 2.456, 2.462, 2.468]
Il segnale e’ stato demodulato e ne e’ stata calcolata la potenza sulle 11 sottobande. In particolare e’ bene sottolineare come le prime 3 bande da 10 MHz insistano sul canale 1 dello standard 802.11. In particolare la prima sottobanda racchiude i primi 10 MHz del canale 1, la seconda sottobanda e’ centrata sui 10 MHz centrali, mentre l’ultima sottobanda insiste sugli ultimi 10 MHz del canale 1. Il medesimo comportamento descrive le sottobande 5,6 e 7 in relazione al canale 6, e le sottobande 9,10,11 in relazione al canale 11. Le sottobande centrate a 2.4245 GHz e 2.4495 GHz sono centrate sui Gap adiacenti al canale 1,6 e ai canali 6-11.
Nel caso di Interferenza 802.11g rilevata sul canale 1, il nostro meccanismo di Channel Sensing rileva effettivamente un livello di Energia superiore rispetto ad una soglia pari al livello del floor di Rumore. Abbiamo simulato il comportamento di un analizzatore di spettro mediante Matlab sulla base dei dati demodulati dalla scheda di acquisizione B210. Effettivamente un livello di Floor di Rumore che ha media pari a circa 15 dBm puo’ essere osservato su tutta la banda di 72 MHz ad eccezione delle sottobande numero 1, numero 2 e numero 3. Esse, infatti, presentano un evidente aumento della potenza misurato sulle frequenze dove insiste l’interferente 802.11 g di banda 22 MHz centrato sulla frequenza centrale f1= 2.412 GHz del primo canale.
Figure 4.13: Sensing dell’Interferenza sulla banda a 2.4 GHz
Figure 4.14: Sensing su Bande a 10 MHz
Sono necessarie operazioni di calibrazione per far si che sull’analizzatore di spettro di Matlab siano effettivamente misurate Potenze reali, come mostrate dall’ analizzatore di spettro Hewlett Packard E4411B che ci ha restituito il valore vero del floor di rumore e del picco dell’interferenza. Abbiamo inoltre mis- urato tale segnale settando opportunamente il guadagno della scheda USRP con un incremento di 5 dB per misurazione. Abbiamo ottenuto una dinamica del rapporto ingresso uscita dell’amplificatore con andamento lineare che ci ha permesso di poter compiere le nostre rilevazioni con un livello di Guadagno pari a 70 dB per la scheda di acquisizione USRP, senza problemi di saturazione. I valori effettivi effettivi della Potenza Interferente dopo la correzione imposta dalla calibrazione per le 48 sottoportanti dati e le 4 sottoportanti pilota su ogni sottobanda sono le seguenti:
Figure 4.15: Potenza interferente su sottoportanti dati e pilota
Per semplicita’ di visualizzazione nelle figure precedenti il livello di Potenza misurato e’ corretto in modo tale da visualizzare il floor di rumore mediante ad un livello di Potenza pari a 0 dBm. In con- clusione e’ quindi possibile notare come il nostro algoritmo di Channel Sensing permetta di valutare un livello di Energia sui canali 1-6-11 come previsto dallo standard 802.11 e di determinare in quale canale sia presente l’interferente. Il miglioramento rispetto allo Standard sta nel fatto che sia possibile misurare il livello della Potenza Interferente su diversa granularita’ di sottobande e ricavare da queste un’indicazione su quali sottobande andare a trasmettere i propri dati, parallelamente ad un’altra trasmis- sione, senza interferire con essa. Tali indicazioni sul livello di rapporto segnale rumore interferenza possono essere utilizzate in algoritmi di Resource Allocation, come vedremo nel capitolo successivo, per andare ad utilizzare un numero efficiente di bit per sottoportante ofdm e far si che l’utente che voglia ac- cedere al canale possa farlo andando a massimizzare la propria capacita’ di trasmissione (attraverso un’ allocazione di Potenza permessa dall’algoritmo di waterfilling) oppure minimizzando la potenza totale trasmissiva.
CHAPTER
5
Simulazione di Criteri di Resource Allocation
5.1
Scenario delle simulazioni
In questo capitolo saranno mostrati i risultati ottenuti dall’applicazione dei principali algoritmi di re- source allocation con riferimento ad un sistema IEEE 802.11g. Sono stati analizzati 3 tipologie di algoritmi: waterfilling, subcarrier, bit and power loading e max-min fairness. Le prestazioni ottimali, per un sistema multicarrier ofdm, originariamente derivato per un sistema DMT, sono ottenute tramite l’algoritmo di waterfilling che tende ad allocare la maggior parte dei bit informativi su quelle sottopor- tanti che godono di un rapporto segnale rumore oppure di rapporto segnale rumore interferenza piu’ elevato. Il numero dei bit puo’ variare da 1 a 6 a seconda delle costellazioni potenzialmente allocabili. 1 bit e’ associato alla modulazione BPSK, 2 alla QPSK, 4 e 6 rispettivamente, alla modulazione 16 e 64 QAM. E’ possibile che in particolari condizioni di interferenza e con un budget di potenza molto ristretto da spendere in trasmissione, ad alcune subcarrier possano non essere allocati bit. In letteratura gli algortimi che saranno presentati sono stati ampiamente studiati e i risultati sono noti, in questa tesi abbiamo voluto simulare il comportamento di questi algoritmi nel particolare contesto delle comuni- cazioni IEEE 802.11g che devono tenere conto di particolari normative che non sono considerate nei principali risultati presenti in letteratura. In tali sistemi infatti siamo vincolati a trasmettere non solo con un vincolo di potenza in trasmissione limitata, ma anche con un apporto limitato di potenza che puo’ essere allocato a gruppi di sottoportanti. Infatti le normative per queste comunicazioni specificano che per ogni MHz di banda non possiamo trasmettere con una potenza superiore a dBm. I risultati presentati tengono conto del comportamento che i diversi algoritmi avrebbero sia nel caso classico che nel caso di potenza vincolata sulle varie sottoportanti. Infine sara’ proposto un confronto con una trasmissione 802.11g con allocazione di bit e potenza che obbedisce allo standard ma non adattabile alle condizioni tempo varianti del canale. I risultati saranno presentati per 2 quantita’ di budget di potenza spendibile in trasmissione: -60 dB ( condizione di potenza favorevole ) e -100 dB ( condizione di potenza sfavorevole) e in 3 tipologie di scenario: bassa interferenza, media interferenza e, infine, alta interferenza.
Figure 5.1: Scenari di Simulazione: alta, media e bassa interferenza