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APITOLO 1
INTRODUZIONE AL COGNITIVE RADIO
1.1 Introduzione
Fino ad una ventina di anni fa, le comunicazioni erano molto limitate tantochè gli unici servizi disponibili all’utente erano il telefono e la televisione analogica.
Agli inizi del 90’, cominciarono ad essere commercializzati i primi telefoni portatili, le dimensioni erano notevoli come i costi tariffari e di acquisto; per la quasi totalità dei casi gli unici ad avere un telefonino erano persone di rilievo economico (titolari di azienda, imprenditori,…).
Da una decina di anni a questa parte, con la nascita del GSM, la telefonia mobile ha avuto un grande sviluppo sostenuto dal boom economico che alcuni provider ci hanno costruito sopra; nessuno avrebbe scommesso su di un così grande successo.
L’idea della voce senza fili è stato il primo passo alla realizzazione delle cosiddette reti wireless, o meglio, si è partiti fornendo all’utente un solo servizio telefonico appunto di comunicazione vocale e successivamente l’idea è stata quella di dotare il cliente di un terminale capace di molteplici applicazioni (UMTS, schede wireless per Pc).
Oggetto di questa tesi è la ben conosciuta WIFI 802.11g, ultimo standard sul quale si basano le comunicazioni wireless dei Pc.
Questo settore delle telecomunicazioni è molto “giovane”; fino a tre anni fa in pochi avevano un computer portatile e pochissimi avevano un computer portatile con una
Negli ultimi due anni, con lo sviluppo mastodontico dei sistemi operanti in etere direttamente da utente, il mercato ne ha consenseguentemente risentito ed ha applicato una politica economica molto forte sulla commercializzazione di oggetti capaci di comunicare senza fili.
Questo progetto economico ha riscosso un successo superiore alle aspettative che ha portato ad alti guadagni agli investitori che ha loro volta hanno potenziato la ricerca verso tecnologie sempre più evolute e “intelligenti”.
Il primo passo è stato quello di incrementare le velocità trasmissive (comunicazioni a banda larga; ora si studiano addirittura sistema con capacità ancora superiori: ULTRA-WIDE-BAND) ma ciò comporta una maggiore occupazione di banda.
La banda si divide in banda libera, cioè non è di proprietà di nessun provider, dove appunto trasmettono dispositivi facenti parti delle cosiddette reti locali (WLAN, PLAN) e banda appunto messa all’asta e comprata dalle varie compagnie.
Lo spettro elettromagnetico non è infinito, in particolare, quello adibito alle comunicazioni, è una risorsa limitata ed estremamente costosa ma con i notevoli sviluppi tecnologici e la continua richiesta, siamo arrivati ad un punto dove la disponibilità comincia a scarseggiare e per tale sono nati studi nella direzione di riuscire a far coesistere trasmissioni diverse all’interno della stessa banda.
1.2 Cognitive radio tecnology
L’idea del cognitive radio nasce per risolvere la carenza di banda.
Diversi gruppi operanti nel settore delle telecomunicazioni tra cui Federal Communication Commission degli U.S.A., Ofcom in United Kingdom [1], hanno osservato che lo spettro elettromagnetico adibito alle radiocomunicazioni non è efficientemente utilizzato ed in particolare diversi studi condotti in diversi paesi hanno evidenziato che tale utilizzo dipende fortemente dal periodo temporale e dal luogo presi in esame.
In [1], giustamente si fa notare che nelle principali aree mondiali, la rete cellulare è molto “carica” cioè efficientemente sfruttata ma per esempio non lo sono le bande adibite a comunicazioni amatoriali.
Le attuali regolamentazioni applicano una segmentazione rigida dell’utilizzo dello spettro che viene diviso in bande associate rigidamente a certi tipi di applicazione senza permettere l’utilizzo di tali a comunicazioni non interferenti o magari ad applicazioni sfruttanti tale spazio frequenziale in assenza della comunicazione primaria cercando cioè di aumentare l’efficienza di utilizzo andando ad ascoltare la rete e a riempire i buchi frequenziali dove nessuno trasmette.
Il primo accenno al cognitive radio, risale ad una pubblicazione del 1999 di J. Mitola [2], dove si fa un analisi ad alto livello del problema.
L’idea è quella di far comunicare tra di loro i vari dispositivi che vengono a trasmettere in una data area e in una certa banda con rischio di collidersi, in maniera tale da autogestirsi al fine di avere un corretto funzionamento senza interferirsi.
Chiamando B la banda disponibile a tali servizi, essi devono utilizzarla in maniera intelligente cioè riempiendo i buchi in cui essa non è sfruttata e interagendo tra di loro.
La tecnologia cognitive radio nasce quindi con l’idea di un utilizzo più efficiente dello spettro elettromagnetico nelle varie dimensioni di tempo, spazio e frequenza [3].
I dispositivi che si basano su questa tecnica, “ascoltano” la rete e scelgono alcuni parametri di trasmissione in base allo stato del canale fisico di comunicazione; è una sorta di allocazione dinamica delle risorse dove un trasmettitore decide potenza e modulazione in maniera dinamica.
Questa rimane per adesso un’idea, in quanto i diversi sistemi wireless che esistono nel mondo, utilizzano standard diversi e quindi diventa per adesso difficile una regolamentazione di alto livello.
In questa analisi, scendiamo al livello fisico per analizzare il problema.
La tecnica OFDM, si sposa con tale idea [3] perché permette ad un trasmettitore di scegliere su quali sottoportanti trasmettere e la modulazione più idonea in base allo stato del canale; ad esempio non sarà effettuata la trasmissione su di un numero finito di sottoportanti eventualmente interferite da un’altra comunicazione e sarà utilizzata una modulazione con un alfabeto tanto più semplice quanto più le condizioni del canale saranno critiche, cioè ad esempio BPSK (o addirittura inibire la trasmissione) dove il canale attenua molto e 8BPSK dove le condizioni di esso sono buone.
Tuttavia questi accorgimenti non sono sufficienti perché il trasmettitore deve essere informato sullo stato del canale e di conseguenza variare dinamicamente le sue condizioni di lavoro; questa variazione comporta dei tempi dovuti “all’ascolto” del canale e alla successiva riconfigurazione.
Mentre il generico sistema A trasmette, un altro sistema B, può interferire sulla banda del primo perché operante in assenza di un protocollo basato sulla tecnica cognitive radio, per tale motivo la trasmissione primaria A sarà influenzata dalla trasmissione B con conseguente burst di dati interferito prima che il trasmettitore si accorga del secondo
A seconda dei parametri presi in considerazione, si può fare una differenziazione tra vari tipi di cognitive radio:
• Full Cognitive Radio: ogni parametro del sistema è osservabile;
• Spectrum Sensing Cognitive Radio: si prende in considerazione solo lo spettro elettromagnetico;
A seconda di quale parte di spettro si utilizzi, seguono i seguenti due casi:
• Licensed Band Cognitive Radio: dove la tecnica è capace di far utilizzare banda assegnata ad utenti paganti anche per utenti senza licenza;
• Unlicensed Band Cognitive Radio: si possono utilizzare solo le bande libere. Di interesse in questa analisi è lo Spectrum Sensing in Unlicensed Band.
Si noti che l’interferenza può essere del tutto imprevedibile in quanto non ne conosciamo le statistiche e gli istanti temporali di presentazione.
La conseguenza è quella di realizzare ricevitori capaci di demodulare correttamente dati anche interferiti.
Il ricevitore ottimo nel senso ML (massima verosimiglianza) ha bisogno della conoscenza della funzione distribuzione di probabilità dell’interferenza che normalmente non è disponibile perciò è d’obbligo muoversi nella direzione del ricevitore sub-ottimo [3].
1.3 Banda ISM
I primi standard 802.11 prevedevano velocità trasmissive non superiori a 2Mbit/s; la domanda di velocità sempre più elevate ha portato alla creazione di diversi protocolli. Esistono diverse bande di utilizzo delle reti wireless; la banda ISM sui 2.4 GHz è una di queste.
L’acronimo ISM [4], sta per industrial scientific and medical perché originalmente tale porzione di spettro era riservata a comunicazioni radio per scopi industriali, scientifici e medici.
Le bande ISM [4], definite dal ITU-R (international telecomunication union – radio) comprendono diverse frequenze:
6.765 - 6.795 MHz (6.780 MHz frequenza centrale) 13.553 - 13.567 MHz (13.560 MHz frequenza centrale) 26.957 –27.283 MHz (27.120 MHz frequenza centrale) 40.66 – 40.70 MHz (40.68 MHz frequenza centrale) 433.05 – 434.79 MHz (433.92 MHz frequenza centrale) 902– 928 MHz (915 MHz frequenza centrale) 2.4 – 2.5 GHz (2.450 GHz frequenza centrale) 5.725 – 5.875 GHz (5.8 GHz frequenza centrale) 24 – 24.25 GHz (24.125 GHz frequenza centrale) 61 – 61.5 GHz (61.25 GHz frequenza centrale) 122 - 123 GHz (122.5 GHz frequenza centrale) 244 - 246 GHz (245 GHz frequenza centrale)
Di nostro interesse è la ISM sui 2.4 GHz.
L’utilizzo di questa precisa porzione di spettro deriva [5] dalla sua disponibilità a livello mondiale; in Europa, U.S.A. e Giappone è banda libera mentre nel resto del mondo è venduta all’asta e quindi la trasmissione è adibita ai soli possessori di licenza.
I diversi standard 802.11 prodotti utilizzanti velocità trasmissive diverse [5] mantengono però la stessa banda (cioè utilizzano costellazioni di modulazione più grandi per velocità maggiori) e riescono ad interagire tra di loro in quanto mantengono inalterato preambolo
Lavorare sui 2.4 Ghz, vuol dire rischiare la presenza di interferenza per la presenza di altri dispositivi trasmittenti, per questo la Federal Commission of Communication (FCC) degli U.S.A. [6] ha fissato i limiti massimi di potenza ed in particolare ha stabilito che i dispositivi operanti nel range di nostro interesse debbano utilizzare modulazioni a spettro espanso.
Dunque è stata permessa la coesistenza di vari dispositivi a patto che rispettino alcune date specifiche di potenza e modulazione.
Lo standard 802.11g prevede l’utilizzo della modulazione OFDM (ortogonal FDM) che risulta essere molto robusta nei confronti del canale multipath; di nostro interesse è studiarne il comportamento in presenza di una trasmissione interferente tipica sui 2.4 GHz: il Bluetooth.
1.4 Standard WIFI 802.11g
La banda utilizzata nello standard 802.11g [7] è 22 MHz, all’interno di tale, il segnale occupa 20 MHz e il la simbol rate è di 20 Mboud costante; la bit rate varia a seconda della modulazione.
La modulazione utilizza 64 sottoportanti per cui associando ad ognuna di esse un simbolo, ogni blocco (trama al livello più basso) OFDM viene trasmesso in
2 . 3 20 / 64 Mboud = µs.
Il prefisso ciclico è lungo 16 sottoportanti la cui durata è 0.8 µs per cui un intero blocco OFDM dura 4 µs.
I simboli trasmessi, vengono organizzati a livello più alto in pacchetti [7] dalla durata variabile di 500-1500 bytes che corrispondono a diverse trame.
sono successivamente codificati in maniera convoluzionale e mappati in una costellazione prima di essere modulati e trasmessi.
Il codice convoluzionale, utilizza 64 stati (quindi shift register a 6 celle di memoria) con rate r = ½ e polinomi (133,171).
Variando r si possono ottenere varie velocità informative [7]:
Tabella 1.1: differenti modi di 802.11g
Mode, m Modulation Code rate, r Data Rate
1 BPSK 1/2 6 Mbps 2 BPSK 3/4 9 Mbps 3 QPSK 1/2 12 Mbps 4 QPSK 3/4 18 Mbps 5 16QAM 1/2 24 Mbps 6 16QAM 3/4 36 Mbps 7 64QAM 2/3 48 Mbps 8 64QAM 3/4 54 Mbps
In figura 1.1 si osserva la struttura del pacchetto [7]:
PLCP Preambolo Segnale Dati
Figura 1.1: formato del pacchetto 802.11g a livello fisico
Come si osserva dalla figura, il pacchetto è composto da tre campi principali:
La durata è di 16 µs ed è sempre trasmesso senza codifica e scrambling in maniera tale che il ricevitore riesca facilmente ad estrarre la sincronizzazione di timing e frequenza tramite le 10 sequenze corte e la stima di canale tramite le due sequenze lunghe.
- SIGNAL: questo campo serve per avvisare il ricevitore del modo utilizzato in trasmissione (vedi tabella 1.1) e della lunghezza del pacchetto.
Questo campo viene trasmesso con rate r = ½ e utilizzando una modulazione BPSK in maniera tale da minimizzare la probabilità di errore e simultaneamente rendere veloce la decodifica.
- DATA: è composto da diverse trame OFDM che rappresentano l’informazione, trasmessa secondo la modulazione comunicata al campo SIGNAL.
1.4 Standard BLUETOOTH
Il Bluetooth è narrow-band [7] cioè trasmette un segnale a banda stretta, utilizza una modulazione a spettro espanso tramite frequency hopping e appunto lavora nella banda ISM nei 2.4 GHz come la WIFI.
La banda di utilizzo è 1 MHz e la frequenza di hopping è di 1600 salti al secondo. Da ciò segue che il segnale occupa una certa banda di 1 MHz per 1/1600 = 625 µs.
Considerando un pacchetto WIFI della lunghezza tipica di 1000 byte trasmesso a 54
Mbit/s, la durata di tale risulta essere s s bit bit µ 148 / 10 54 10 8 6 3 ! "
" per cui si può ipotizzare che
durante la trasmissione l’interferenza occupa una sola banda di 1 MHz.
In realtà, si può presentare il caso in cui durante la trasmissione del pacchetto, il Bluetooth fa hopping: supponendo che il segnale di quest’ultimo stia occupando una
certa banda da più di (625-148) µs, risulta ovvio che prima della fine della trasmissione del pacchetto si ha una variazione della portante dell’interferenza.
Risulta comunque ragionabile ipotizzare che durante la trasmissione di un pacchetto si possa collidere con una trasmissione Bluetooth soltanto ad una sola frequenza per una larghezza di banda di 1 MHz (ipotizzando che sia presente una sola trasmissione interferente).
La 802.11g occupa con 64 sottoportanti 20 MHz di banda; il Bluetooth col suo segnale da 1 MHz potrà dunque interferire su di 64/20 sottoportanti.
Il risultato è che sono interferite idealmente al massimo 3 sottoportanti [7] ma per il troncamento delle risposte dei filtri, l’aritmetica finita, consideriamo nella nostra analisi 4 sottoportanti interferite.
Risulta importante notare che anche in presenza di trasmissione Bluetooth si possono ricevere pacchetti non interferiti in quanto la banda ISM viene divisa in 79 portanti [8] sulle quali viene fatto hopping perciò può accadere che il segnale WIFI si trovi su 20 MHz dove non è presente trasmissione narrow band.
