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IEEE 802.22: An Introduction to the First Wireless Standard based on Cognitive Radios

IEEE 802.22: An Introduction to the First Wireless Standard based on Cognitive Radios. Carlos Cordeiro , Kiran Challapali , and Dagnachew Birru Philips Research North America/Wireless Communication and Networking Dept., Briarcliff Manor, USA

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IEEE 802.22: An Introduction to the First Wireless Standard based on Cognitive Radios

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Presentation Transcript

  1. IEEE 802.22: An Introduction to theFirstWireless Standard based on Cognitive Radios Carlos Cordeiro, KiranChallapali, and DagnachewBirru Philips Research North America/Wireless Communication and Networking Dept., Briarcliff Manor, USA Email: {Carlos.Cordeiro, Kiran.Challapali, Dagnachew.Birru}@philips.com Sai Shankar N Qualcomm Inc./Standards Engineering Dept., San Diego, USA Email: Sai.Shankar@qualcomm.com JOURNAL OF COMMUNICATIONS, VOL. 1, NO. 1, APRIL 2006 指導老師:郭文興 學生:林祺富

  2. Abstract • IEEE802.22目的是要發展一個以CR為基礎的(WRAN)系統 • 他必須可以在執行的時候不影響到主要使用者 • 本文提出詳細的介紹IEEE802.22的結構和他的運用

  3. 目錄 • Abstract • Introduction • Relatedwork • IEEE 802.22 PRELIMINARIES A. Applications and Markets B. Regulatory Framework • TheIEEE802.22system A. Topology, Entities and Relationships B. Service Capacity C. Service Coverage

  4. 目錄 • The802.22airinterface A. The PHY B. The MAC B.1 Superframe and Frame Structure B.2 Network Entry and Initialization B.3 Measurements and Spectrum Management B.4 Quiet Periods for Incumbent Sensing • CoexistenceinIEEE802.22 A. Antennas B. Coexistence with TV and Wireless Microphones B.1 Sensing Thresholds B.2 Calculation of the Keep-Out Region B.3 DFS Timing Requirements B.4 Wireless Microphone Detection B.5 Spectrum Usage Table B.6 Out-of-Band Emission Mask C. Coexistence with PLMRS/CMRS D. Self-Coexistence

  5. 目錄 • CONCLUSIONS • REFERENCES

  6. Introduction • 現在無線電被廣泛的運用,如何善加利用頻譜就格外的重要 • 感知無線電主要的優點就在於,可以對外在環境做出改變 • Section II介紹了802.22相關的研究 • Section III 介紹了802.22的規格和現有的應用 • Section IV介紹了802.22的系統 • Section V介紹了詳細的802.22的空中介面 • Section VI介紹了802.22的設計和共存情況

  7. RELATED WORK • IEEE802.22是第一個以CR為基礎的空中介面 • 他佔用了電視和無線麥克風的頻寬可是不會影響到主要使用者的權益 • 802.22和802.16之間的不同: • 802.22主要適用於範圍大密度不高的地區 • 802.22範圍比802.16大的多 • 802.22有感知的功能 • 802.22的成本比較低

  8. IEEE 802.22 PRELIMINARIES • 市場的運用: • 鄉村和偏遠地區範圍較寬廣的特性所以需要使用無線網路來傳輸 • 為了降低成本所以選擇了802.22(WRAN) • 802.22也可以使用在家庭用戶,多聚居單元,小型商業用戶和校園 • 管理的規格: • 使用(VHF/UHF)的電視廣播頻段(從2到69) • 一般是使用6MHZ在這3個範圍裡(54~72MHZ) (76~88MHZ) (740~806MHZ) • FCC也允許802.22和無線麥克風共存

  9. THE IEEE 802.22 SYSTEM • 電視頻寬每個國家都不太一樣,所以802.22必須要能適用於各種頻寬 • 一般來說是再6MHZ,7MHZ,8MHZ • 802.22的系統又可以分為3個部分介紹 • 拓墣,實體和關聯 • 服務的容量 • 服務的範圍

  10. Topology, Entities and Relationships • 拓墣的實體和關聯: • 802.22是單點對多點無線傳輸系統P-MP • 他透過BS來管理她自己的CELL和有關聯的CPE • BS會管理在CELL內的媒體存取,以及向下傳送訊息給cpe而CPE會向上回覆BS訊息 • Bs會分散式感知,而CPE會在不同的電視頻道去執行分散式的測量.

  11. Service Capacity 和Service Coverage • 服務的容量: • 每個CPE最低下載速度為1.5 Mb/s上傳速度為384 kb/s • 系統規定了從0.5 bit/(sec/Hz)~5 bit/(sec/Hz)的頻譜利用率，假設平均3bit/sec/Hz將會符合在一個6MHz電視頻道內的所有的PHY18mbps的資料傳輸率 • 服務的範圍: • 802.22WRAN的特色就在他的範圍最高可以達到100公里前提是不考慮功率的問題. • 現有的IEEE802標準最高只有33公里

  12. 802.22WRAN的結構圖

  13. THE IEEE 802.22 SYSTEM

  14. THE IEEE 802.22 AIR INTERFACE • PHY的介紹: • 802.22實體層在調變和編碼方面具有高度的擴展性 • OFDMA可以有效的分配子載波來達到CPE的需求 • 802.22要只使用一個頻道來達到30KM和19MBPS是困難的,所以要透過頻道的合併來增加頻寬 • 合併多個通道是理想的情況,可是主要的問題是在於沒有那麼多通道可以使用. • 為了避免鄰近高功率TV所產生的干擾,在所需調整的頻道兩旁必須有空的頻道.所以至少要有3個頻道

  15. 不同的電視頻寬在不同的時間佔有的情況

  16. WRAN和TV合併的情況

  17. THE IEEE 802.22 AIR INTERFACE • MAC 層的用途: • 為了要能夠及時的對外面環境做出回應,802.22的MAC層必需具有高度的動態性能. • 頻譜的分布認知和動態管理這些功能是傳統的802.22所沒有具備的功能 • MAC層的介紹 • Superframe和 Frame的結構 • 網路的入口和初始化 • 測量和頻譜的管理 • 感知和安靜的階段

  18. Superframe and Frame Structure

  19. Superframe and Frame Structure

  20. Network Entry and Initialization • 網路的入口和初始化: • 在802.22(WRAN)中的CPE啟動時, 必須先建立一個電視頻道的頻譜佔用情況.再把這個訊息傳回去給BS. • 802.22(WRAN)沒有預先偵測頻道的技術.可是他會進行頻道的合併,來提高效能.

  21. Measurements and Spectrum Management • 測量和頻譜的管理: • 為了使802.22系統不會對使用者造成干擾,BS要引導CPE在頻道內或是頻道外進行週期性的感知測量 • In-band必須停止一切的數據的傳送,因為它用的頻道是BS和CPE傳遞訊息的頻道 • Out-of-band則是在其他的頻道傳送資料 • BS在偵測頻譜的使用情況時,如果又遇到了In-band會導致他在感知的時間拉長產生干擾. • 802.22 也綜何管理了頻譜的功能,如切換頻道,連結頻道傳輸,終止頻道傳輸.用來保障使用者的權益

  22. Quiet Periods for Incumbent Sensing • 感知和安靜的階段: • MAC層的週期結構是由Fast Sensing和Fine Sensing 所組成的 • Fast Sensing:包括一個或多個Fast Sensing來進行,這個階段用快速偵查演算法來進行,執行非常快速且有很高的效率.每個頻道1MS是標準. • Fine Sensing:他是出現在Fast Sensing後面,做出更精細的偵測.如果Fast Sensing偵測後發現受干擾的頻道能量低於門檻值, Fine Sensing就不會被執行

  23. Quiet Periods for Incumbent Sensing

  24. COEXISTENCE IN IEEE 802.22 • 天線的介紹: • 802.22中每個CPE都需要兩個獨立的天線. 定向天線和全方向天線 • 定向天線: 主要是用於CPE和BS之間的通信,因為它的方向是固定的,所以能量較不易散失也可以降低干擾. • 全方向天線: 主要是用於感知和測量.它可以尋找CPE附近所有的使用者用戶訊號,而不是單方向的尋找,所以可以有效的避免衝突.

  25. COEXISTENCE IN IEEE 802.22 • 電視和無線麥克風的共存: • 感知的門檻:BS和CPE利用全方向天線來偵測使用者的門檻值.如果使用者高於門檻值,就會清出一個空的頻道出來. • 感知的門檻: (DTV): 在6MHZ頻道中-116 dBm Analog TV:在NTSC的載波中-94dBM Wireless microphones:在200KHZ頻道中-107dBm

  26. DFS需要的時間

  27. 電視和無線麥克風的共存 電視和無線麥克風正常執行時鄰近通道的強度極限

  28. COEXISTENCE PLMRS/CMRS • 802.22知道他們彼此的位置和頻譜使用表,所以要和PLMRS/CMRS共存只要去掉所有802.22感知PLMRS/CMRS的服務就可以達到

  29. COEXISTENCE IN IEEE 802.22 • 共存: • 太多的802.22網路在一起執行,會自己互相干擾,所以共存就變的格外的重要 • 當一個CPE沒有和BS在傳輸資料,就會開始搜尋其他鄰近網路的信標 • 當接收到一個共存信標,就會設定一個同步的時間 • 模擬的參數: • X軸是共存所需要的時間 • Y軸是網路的數目 • 分別在50*50,100*100和150*150三種範圍作比較

  30. COEXISTENCE IN IEEE 802.22

  31. CONCLUSIONS • 802.22是使用於電視頻寬以CR為基礎的無線網路 • CR包含的技術有: • 使用者偵測和避免 • 頻譜管理 • 頻譜感知 • 本文提供一個詳細的802.22的介紹包含他的PHY和MAC層還有共存的技術

  32. REFERENCES • [1] M. Calabrese and J. Snider, “Up in the Air,” The AtlanticMonthly, New America Foundation, September 2003. • [2] Federal Communications Commission (FCC), “SpectrumPolicy Task Force,” ET Docket no. 02-135, November 15,2002. • [3] P. Kolodzy, “Spectrum Policy Task Force: Findings andRecommendations,” in International Symposium onAdvanced Radio Technologies (ISART), March 2003. • [4] M. McHenry, “Report on Spectrum OccupancyMeasurements,” Shared SpectrumCompany,http://www.sharedspectrum.com/?section=nsf_summary. • [5] J. Mitola et al., “Cognitive Radios: Making SoftwareRadios more Personal,” IEEE Personal Communications,vol. 6, no. 4, August 1999. • [6] J. Mitola, “Cognitive radio: An integrated agentarchitecture for software defined radio,” PhD Dissertation,Royal Inst. Technol. (KTH), Stockholm, Sweden, 2000.

  33. REFERENCES • [7] S. Haykin, “Cognitive Radio: Brain-Empowered WirelessCommunications,” in IEEE JSAC, vol. 23, no. 2, February2005. • [8] DARPA ATO, Next Generation (XG) Program,http://www.darpa.mil/ato/programs/xg/. • [9] Federal Communications Commission (FCC), “Notice ofProposed Rule Making,” ET Docket no. 04-113, May 25,2004. • [10] IEEE 802.22 Working Group on Wireless Regional AreaNetworks, http://www.ieee802.org/22/. • [11] ITU’s New Broadband Statistics,http://www.itu.int/osg/spu/newslog/ITUs+New+Broadband+Statistics+For+1+January+2005.aspx, January 1, 2005. • [12] Federal Communications Commission (FCC), “Report andOrder AND Memorandum Opinion and Order,” ET Docketno. 05-56, March 16, 2005. • [13] Business Week, “Commentary: Behind in Broadband,”BusinessWeek Online Magazine, September 6, 2004.

  34. REFERENCES • [21] D. Agrawal and Q-A. Zeng, Introduction to Wireless andMobile Systems, Brooks/Cole Publishing, 432 pages, ISBN0534-40851-6, August 2002. • [22] H. Gossain, C. Cordeiro, T. Joshi, and D. Agrawal, “Cross-Layer Directional Antenna MAC and Routing Protocols forWireless Ad Hoc Networks,” in Wiley WirelessCommunications and Mobile Computing (WCMC) Journal,Special Issue on Ad Hoc Wireless Networks, to Appear. • [23] Federal Communications Commission (FCC), “Revision ofParts 2 and 15 of the Commissions Rules to PermitUnlicensed National Information Infrastructure (U-NII)Devices in the 5GHz Band,” ET Docket no. 03-122,November 18, 2003. • [24] G. Chouinard, “WRAN Reference Model,” IEEE 802.22, http://www.ieee802.org/22/, May 2005.

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