Mapping IEEE 802.11

L’ultimo passo da compiere per poter effettivamente avvalerci di un simulatore digitale di trasmissione e ricezione OFDM e’ quello di svincolarci dalle funzioni native di Matlab che compiono l’operazione di mapping e demapping dei simboli binari che arrivano in un caso dalla sorgente e in un caso dall’uscita dell’equalizzatore. Queste funzioni psk e quam mod/demod permettono di ottenere esattamente il tipo di costellazione che e’ permessa dallo standard 802.11 g obbedendo anche alla regola della codifica di Gray, dove un simbolo differisce da quelli adiacenti per un solo bit, ma tuttavia non tengono conto dei fattori di normalizzazioni per le modulazioni QPSK e 16,64 QAM e, inoltre, il mapping nativonon ci permette di poter allocare su un set di sottoportanti adiacenti un tipo diverso di modulazione rimanendo sempre vincolati ad un’allocazione uniforme che non e’ sempre efficace. Le funzioni di Mapping e DeMapping create ad hoc hanno un tale livello di granularita’ da permettere di poter allocare subcarrier per subcarrier

un tipo diverso di modulazione e codice e poter gestire in ricezione in fase di demapping un simile comportamento a scapito di un allungamento dei tempi di decodifica in ricezione per le modulazioni d’ampiezza. L’immagine sottostante ci permette di apprezzare il solito comportamento in termini di BER del sistema agevolato dal nuovo sistema di Mapping conforme con 802.11 e le prestazioni teoriche.

4.3

Channel Sensing

L’algoritmo di channel sensing previsto dallo standard permette ad un utente 802.11g di poter verificare se qualcun altro sta trasmettendo nel canale. L’indicazione che viene ottenuta osservando il mezzo e’ quella di un livello energia che puo’ essere superiore oppure inferiore ad una determinata soglia. Se il livello e’ superiore alla stazione che opera il sensing e’ impedito trasmettere ed e’ costretta ad atten- dere un tempo aleatorio prima di poter accedere. Viceversa, vince la contesa sulle altre stazioni e, dopo aver atteso per un tempo pari al DIF Stime, puo’ trasmettere i propri frame dati. Questo tipo di proto-

collo chiamato CSMA-CA permette di gestire in maniera efficiente il problema delle collisioni, tuttavia l’indicazione dello stato di canale non ha ulteriore beneficio se non quello di indicare canale vuoto/canale occupato. La domanda che sorge spontanea e’ la seguente: possiamo migliorare questo tipo di protocollo per ottenere informazioni piu’ preciso sullo stato di canale e migliorare le performance del sistema? La risposta e’ si e riusciamo ad ottenere un numero elevato di informazioni in piu’ sullo stato di canale e sullo stato delle interferenze causate dal altri utenti del sistema senza allontanarci dallo standard a dis- posizione. Attraverso questo nuovo meccanismo di sensing, che permette di sfruttare in maniera piu’ efficiente l’informazione ottenuta a partire dal channel sensing CSMA-CA, possiamo andare a valutare il livello di interferenza e di rumore sull’intera banda su cui e’ permesso trasmettere.

Lo standard 802.11 g prevede 14 canali di comunicazione nella banda ISM a 2.4 GHz di larghezza pari a 22 MHz. Per la trasmissione possono essere sfruttati gruppi di 3 canali che non hanno sovrappo- sizioni, le cui frequenze centrali sono spaziate di 25 MHz. In generale il gruppo di 3 canali maggiormente sfruttato per trasmettere i dati e’ composto dal canale 1, dal canale 6 e dal canale 11. Ma come e’ possi- bile notare dalla tabella sottostante, possiamo decidere di trasmettere anch nei gruppi di canali 2,7,12 e 3,8,13.

Figure 4.7: Canali Wi-Fi

Se prendiamo in considerazione solamente il gruppo principale costituito dai canali 1,6 e 11 possi- amo implementare un algoritmo di Channel Sensing che si occupa di valutare il livello di interferenza sulla totalita’ di questi 72 MHz di banda che partono dalla prima sottoportante utile del canale 1 centrata

alla frequenza 2,401 GHz fino all’ultima sottoportante del canale 11 che occupa la frequenza pari a 2,473 GHz. L’idea e’ quella di valutare il livello del rapporto segnale rumore interferenza sulla totalita’ della banda a disposizione, in modo tale da usare quest’indicazione per costruire un algoritmo di Resource Allocation. Tale implementazione permetterebbe agli utenti di poter scegliere quale sia il miglior inter- vallo frequenziale sul quale trasmettere mantenendo alti requisiti di QoS nonostante l’interferenza sul canale. Con questo tipo di indicazione l’utente puo’ scegliere se trasmettere sul canale 1, sul canale 6 o sul canale 11 il suo set di dati che occuperebbe, come previsto dallo standard, 20 MHZ di banda senza sforare i 22 MHz di canalizzazione che tengono conto di un certo intervallo di guardia.

Il primo approccio al problema e’ stato quello di generare, tramite Matlab, 3 realizzazioni di rumore gaussiano bianco che occupassero una banda pari a 20 MHz ciascuna. Abbiamo trattato queste variabili come se fossero veri e propri segnali OFDM, sono state sottoposte ad un’operazione di IFFT con di- mensione della FFT pari a 64 e trasmesse sul canale AWGN. Su ogni sottoportante quindi e’ centrato un simbolo gaussiano complesso ricavato da una distribuzione a media nulla e varianza unitaria. Abbiamo ottenuto un segnale costituito da 192 sottoportanti che occupano complessivamente 60 MHz di banda e ne abbiamo calcolato il valor quadratico medio. La fase successiva e’ stata quella di implementare un algoritmo di ordinamento delle sottoportanti sulla base della potenza calcolata al punto precedente. Con il comando sort di matlab e’ possibile ordinare le sottoportanti dal valore piu’ piccolo al valore piu’ grande. Se facessimo quest’operazione pero’ perderemmo l’indicazione del canale sul quale queste sottoportanti sono state associate. Di conseguenza abbiamo calcolato la media a gruppi di sottoportanti a seconda della banda che vogliamo analizzare per mezzo del nuovo algoritmo di Sensing. E’ stato possibile quindi implementare 2 tipi di Sensing: il primo di tipo raw permette di valutare il livello di potenza su bande pari a 20 MHz occupate da 192 sottoportanti, il secondo metodo, di tipo f ine permette di valutare il livello di rumore a gruppi di 5 MHz, a gruppi di 48 sottoportanti. Dopo aver effettuato tale scelta possiamo ordinare le sottobande da quella piu’ promettente alla trasmissione a quella meno. La sottobanda composta da un set di sottoportanti scelta per la trasmissione sara’ quella caratterizzato da un valore della potenza interferente piu’ basso possibile.

Figure 4.8: Primo approccio al Channel Sensing

L’approccio di tipo fine valuta il livello della Potenza Interferente che a questo punto della simu- lazione e’ pari al valore quadratico medio calcolato sulla media delle variabili aleatorie che cadono sulle sottoportanti che sono contenute in 5 MHz di banda. In questo momento quindi il nostro simulatore del Channel Sensing non e’ ancora in grado di poter distinguere la potenza interferente dovuta al rumore da quella dovuta al canale. Bisogna quindi prevedere, come fatto nella simulazione del trasmettitore e ricevitore OFDM, il contributo di un Canale Multipath generico.

I primi passi che andremo a compiere saranno i seguenti:

• Generazione della risposta in frequenza del canale sui 72 MHz occupati dai canali 1,6,11 del Wi-Fi • Generazione della realizzazione di rumore gaussiano bianco AWGN sull’intera banda B=72 MHz

con media nulla e varianza σ2= F Bη0. Dove il valore F=3dB e η0=-174dB [25]

L’obiettivo sara’ quello di valutare la potenza interferente, intesa come somma del contributo di rumore e contributo del canale, sull’intera banda prevista dallo Standard. Seguira’ la classificazione delle sottobande da quelle piu’ favorevoli alla trasmissione a quelle meno adatte. Le 5 bande a 22 MHz scelte per valutare il contributo di interferenti e rumore sono cosi classificate:

• Sottobanda 1: i primi 22 MHz della banda riservata alle comunicazioni Wi-Fi 802.11g, [2.401: 2.423] GHz, coincidente con canale 1 previsto dallo Standard

• Sottobanda 3: 22 MHz compresi tra [2.426:2.448] GHz coincidenti con canale 6 previsto dallo Standard

• Sottobanda 5: Frequenze comprese tra [2.451: 2.473] GHz, coincidenti con canale 11 previsto dallo Standard

Le sottobande 2 e 4 sono centrate esattamente sul punto medio delle frequenze che dividono il canale 1 dal canale 6 e il canale 6 dal canale 11. In questo Gap di dimensione pari a 3 MHz andremo a considerare il punto medio, che per il Gap1 avra’ frequenza pari a fgap1 = 2.425GHz, mentre per il

Gap2 fgap2= 2.4495GHz. Centrate su queste 2 frequenze andremo a valutare bande pari a 22 MHz che

saranno la sottobanda 2 e la sottobanda 4.

Figure 4.9: Valutazione del Profilo di Rumore ed Interferenza

Se vogliamo aumentare il Throughput del nostro Sistema ci occorre trovare delle soluzioni alterna- tive che migliorino le prestazioni previste dallo Standard. L’idea di voler trasmettere centrando il nostro segnale su uno dei due gap di dimensione 3 MHz che separano i canali da 22 MHz ci permetterebbe di poter trasmettere un nuovo segnale sovrapponendolo parzialmente ad un segnale che occupa almeno uno dei 2 canali senza pero’ interferire con esso. Sebbene sia prevista dallo standard una canalizzazione a 22 MHz in realta’ l’effettivo intervallo frequenziale dove insistono le sottoportanti che trasmettono i bit

informativi ha un’ampiezza pari a ∆d= 16,5625 MHz. Di conseguenza e’ possibile sfruttare un intervallo

frequenziale ∆f= B − ∆d=5.437 MHz diviso equivalentemente tra le ultime sottoportanti del canale 1

e le prime del canale 6, oppure dalle ultime del canale 6 e le prime del canale 11. Se a questo intevallo frequenziale che insiste su canali previsti dallo Standard, andiamo a sommare il contributo di uno dei due Gap, otteniamo un intervallo frequenziale che si estende per circa 8,5 MHz utile per andare a trasmettere dati con canalizzazione a 10 MHz senza causare interferenze con trasmissioni parallele.

Figure 4.10: Interferente 802.11g

In particolare e’ possibile utilizzare modulazioni e codici molto performanti, quindi con una capacita’ di trasmettere un numero elevato di bit su ogni sottoportante, su quella banda esattamente centrata sul Gap, libera da qualsiasi tipo di Interferenza. Sulle frequenze pari a∆f

2 =2.72 MHz che coincidono con

gli intervalli di guardia dei due canali adiacenti al Gap occorre trasmettere con modulazioni piu’ orientate alla robustezza.