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Dynamic Frequency Hopping Communities for Efficient IEEE 802.22 Operation

Dynamic Frequency Hopping Communities for Efficient IEEE 802.22 Operation. Wendong Hu , STMicroelectronics Inc. and University of California Los Angeles Daniel Willkomm , Murad Abusubaih , and James Gross, Technical University Berlin George Vlantis , STMicroelectronics Inc.

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Dynamic Frequency Hopping Communities for Efficient IEEE 802.22 Operation

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Presentation Transcript

  1. Dynamic Frequency HoppingCommunities forEfficient IEEE 802.22 Operation WendongHu, STMicroelectronics Inc. and University of California Los Angeles Daniel Willkomm, MuradAbusubaih, and James Gross, Technical University Berlin George Vlantis, STMicroelectronics Inc. Mario Gerla, University of California Los Angeles Adam Wolisz, Technical University Berlin and University of California 指導教授: 郭文興 學生: 林祺富

  2. Abstract • 新興的IEEE802.22(WRAN)的主要挑戰就是要解決兩個明顯衝突的要求 • 為了維持服務品質,在單一的頻寬中的基本操作模式必須分配好quiettime.也就是定期中斷 • IEEE802.22使用DFH讓資料傳輸的方向和頻譜感知是同方向,這樣就可以降低干擾 • DFHcommunity 可以在DFH模式中協調操作(WRAN) CELL例如有效的頻譜使用和可靠的頻道感知

  3. 大綱 • ABSTRACT • INTRODUCTION • DYNAMIC FREQUENCY HOPPING • SIMULTANEOUS SENSING AND DATA TRANSMISSION • DYNAMIC FREQUENCY HOPPING OPERATION • FAST CHANNEL SWITCHING • FREQUENCY REQUIREMENTS FOR DFH

  4. 大綱 • DYNAMIC FREQUENCY HOPPING COMMUNITIES • DFHC MANAGEMENT • NEIGHBORHOOD DISCOVERY • DFHC CREATION • DFHC MAINTENANCE • DFHC COEXISTENCE • COMMUNITY REARRANGEMENT • COLLISION AVOIDANCE AND RESOLUTION

  5. 大綱 • PERFORMANCE ANALYSIS • THROUGHPUT ANALYSIS • CHANNEL USAGE ANALYSIS FOR AGROUP OF COMMUNITIES • CONCLUSIONS • REFERENCES

  6. INTRODUCTION • [1]感知無線電是個新興的技術,允許無牌照的使用者可以使用有牌照使用者的頻寬基於IEEE802.22的CR技術 • [2,3]IEEE802.22是一種新的規格,他是在不需要牌照和不會產生影響為前提的情況下使用範圍在(47-910MHZ)的電視頻寬 • [5]802.22(WRAN)CELL是包含BS和CPE.BS是點到多點的傳輸的air interface.一般覆蓋範圍是在33km

  7. INTRODUCTION • [5]802.22所需求最大的延遲是20MS來維持(VOIP)和其他的delay-sensitive服務 • [6]裡面敘述了802.22系統的初步概要 • [7]著名的分析技術顯示了分析的工作會牽扯延影響到每個通道10幾毫秒 • [8]因為out-of-band 的干擾,一個頻道如果是自由的那鄰近的頻道也會是自由的,迫使他去感知更多的頻道 • [9]提到了DFH的傳輸 • 本文主要是描述了DFH的規則和傳輸的過程

  8. 802.22 WRAN cell coexisting with DTV and Part 74

  9. SIMULTANEOUS SENSING ANDDATA TRANSMISSION • 一個(WRAN)CELL在DFH的模式下使用(in-band)來傳輸資料,(out-ofband)來執行頻譜的感知 • 這樣同步的執行資料傳輸和頻譜感知我們稱為(SSDT) • Guardbands 存在於in-band和out-of-band中間,它可以緩和資料傳輸對於out-of-band的干擾 • 一個out-of-band channel是空閒的話將會被驗證

  10. DYNAMIC FREQUENCY HOPPING

  11. DYNAMIC FREQUENCY HOPPING OPERATION • 在(WRAN )cell要被執行頻譜感知re-validate之前他有兩秒鐘可以使用一個工作頻道 • 在DFH的工作模式,時間軸被分割成連續的幾個執行階段 • 每一個(WRAN )在經過一個validate頻道執行時會同步的感知和validating, out-of-band channels用來解釋SSDT • 動態的選擇一個之前操作的階段,用來傳送資料給下一個階段,這個頻道可以使用兩秒鐘

  12. DYNAMIC FREQUENCY HOPPING OPERATION

  13. FAST CHANNEL SWITCHING • DFH的使用合理化前提是要頻道的切換可以夠快被執行 • 對於現今的技術部份頻道的延遲是可以被忽視的例如現有的802.11的無線網路卡和一個新的快速頻道切換技術被提出 • (WRAN)系統一開始的設定是在一連串的hopping頻道中週期性的執行,所以切換的延遲對於頻道的設定和有效檢查是可以被消去的

  14. FREQUENCY REQUIREMENTS FOR DFH • 為了在DFH模式中可以同時傳輸資料和感知,所以一個(WRAN) cell的執行至少要有兩個空閒的頻道來支援它 • 每個(WRAN) cell的移動他的DFH操作階段都會有一個quiettime (QT) • 我們證明了N個重疊的CELL可以連續不斷的使用(N + 1)頻道只要單一的傳輸長度大於N*QT • 近一步的討論(N + 1)的規則就會產生DFHC的觀念

  15. FREQUENCY REQUIREMENTS FOR DFH

  16. DYNAMIC FREQUENCY HOPPINGCOMMUNITIES • DFHC是個虛擬的(WRAN)cells,他一樣遵守共同的規則,用來協調DFH的操作來減少干擾和通道的使用率 • DFHC有一個領導者和一些可能的共同成員領導者負責計算hopping patterns, 成員則是提供領導者鄰居的頻道資訊和感知結果 • 一個(WRAN)cells的群組,想要創造一個DFHC必須滿足許多條件

  17. 需要滿足的條件 • 成員可以和領導者互相溝通 • 每一個成員可以執行SSDT • 成員會有適當的同步時間 • 成員會分享一個頻道的QT,這段時間任何一個成員都可以在這個頻道傳輸資料

  18. DYNAMIC FREQUENCY HOPPINGCOMMUNITIES • BS鄰近的CELL在每個MAC FRAME會安排一個共同的窗口,在窗口中鄰近的BS使用共存的信標來傳輸 • CBP在DFHC模式中是用來持續頻道的分配 • 我們提出一種在社區裡抽象的CMC, CBP可以用來執行它.

  19. DFHC MANAGEMENT • 大量的社區管理活動是用來支援DFHC的初始化和維護 • 我們將會提出一些的操作原則的大綱

  20. 操作原則 • (WRAN) cell 是被他自己的BS用來表示,他有一個獨特的 IEEE802MAC 存取和優先權 • 無論何時(WRAN)都會嘗試建立或是加入一個社區.可是單一的CELL總是會和社區失聯暫時的回到non-hopping mode • 社區的聯繫是以安全的狀態為基礎

  21. NEIGHBORHOOD DISCOVERY • BS會定期的對CMC發出訊息(BSANN) • 如果一個控制訊息的CELL可以接收其他的CELL的訊息,兩個CELL就被稱為one-hop 鄰居 • 一個(BSANN)的訊息包含了BS,一些已知的鄰居清單,一個hopping 頻道清單和社區管理者的優先權 • 這裡的BS是指non-hopping, DFHC 領導者或DFHC成員

  22. DFHC CREATION • 先選擇一個社區的領導者,把它定義為優先權最高的BS • 領導者選擇一系列的hopping 頻道和使用(LDRA)訊息對CMC廣播他的領導人員 • (LDRA)的訊息包含了社區的成員清單和社區所選擇hopping頻道和hopping模式 • (WRAN) cell 在non-hopping模式如果沒有收到(LDRA)訊息會決定自己建立一個新的社區

  23. DFHC CREATION • 要加入社區,BS會從社區的CMC傳送一個請求的訊息(MBRA) • 接收 (MBRA)的訊息,領導者在決定接受或是拒絕並且回復一個決定 • (MBRA)的訊息包含了社區領導者的驗證,鄰居和BS提供可用的頻道

  24. DFHC MAINTENANCE • 每個channel-hopping pattern都有他的生命週期,每個成員都只能在這個時間使用他 • 領導者會周期性的廣播LDRA包含了更新hopping pattern • 如果有成員沒有收到領導者發出的新的hopping pattern在舊的生命周期結束後他將會離開DFH模式換到non-hopping mode.

  25. DFHC MAINTENANCE • 每個成員都要透過鄰近的CELL來執行頻譜的感知和追蹤BSANN的訊息 • 新的hopping pattern會有2種可能被分散出去(1)在生命週期要結束的時候 renewing the hopping pattern(2)對所有的成員sequentialswitching • 即使有一些成員沒有switch 到新的hopping pattern,其他已經switch的成員一樣可以在沒有衝突的情況下使用新的hopping pattern

  26. DFHC MAINTENANCE • 沒有switch的成員要向領導者發出MBRA訊息,讓他從新計算分散新的hoppingpattern • switched to the new hopping pattern就是說需要一個(QT)來shifting their hopping pattern • 對於每個操作階段switching 的過程也可以減少一個(QT) • 當所有操作的階段都減少一個(QT)就會有足夠的空間加入新的成員

  27. Sequential switching: Add a new member.

  28. DFHC COEXISTENCE • 在一個大型的網路中的(WRAN) cells多重的社區是可以被合併的.合併的好處有3個 • 減少整個頻道的使用數量 • 解決社區中頻道的使用衝突 • 減少通信的總和來維護社區管理

  29. COMMUNITY REARRANGEMENT • 有三種方式可以重整社區: cell shifting, 社區的分裂和社區的合併 • cell shifting:發出加入的訊息給新的社區領導者,如果他同意就可以使用hopping pattern離開原來的社區加入新的社區 • 社區的分裂:舊領導者會選出兩個新的領導者並且發出要分裂這個社區的訊息,這個訊息包含了新的領導者和成員

  30. COMMUNITY REARRANGEMENT • 社區的合併:通常要求合併的CELL,都是原社區的兩個領導者或是它的成員.合併之後原來的成員都會成為新的社區成員. • 社區的合併:要合併的兩個社區的生命週期結束要同步,所以比較早結束的hopping pattern要更新在比較晚的後面

  31. COLLISION AVOIDANCE AND RESOLUTION • 領導人或是non-hopping BS 可以用來解決衝突.BS可以偵測到碰撞並且擁有比較低的社區優先權釋放出重疊的頻道

  32. PERFORMANCE ANALYSIS • 我們研究了DFHC的執行效能來達到系統的流量和頻道的使用率. • 對於流量的分析,我們把non-hopping 模式當成DFH模式的 • 我們比較了頻道在DFHC使用的數量和最小值

  33. THROUGHPUT ANALYSIS • T(x) = b * 2 s/(2 s + X s) (1) • T是流量 • X是感知的時間 • b是每秒傳輸的資料量 • DFH模式中因為感知時間是0.所以可以達到最高的流量

  34. CHANNEL USAGE ANALYSIS FOR AGROUP OF COMMUNITIES • 我們使用了integer-programming solver（CPLEX ）計算chromatic number • 圖6的分析結果M=10和M=20都是平均超過40的獨立圖表 • 圖6證實了分裂成許多社區是有利的 • 需求總數低於2N個

  35. CHANNEL USAGE ANALYSIS FOR AGROUP OF COMMUNITIES

  36. CONCLUSIONS • 在單一的頻道中操作時(WRAN)的QOS會降低是因為感知的干擾,但是這可以使用DFH來解決 • DFHC有比較好的QOS和容納量且DFHC也可以使用在non-hopping 模式中 • 本文提出現有的動態機制重整,以適應拓墣

  37. REFERENCES • [1] J. Mitola, “Cognitive Radio: An Integrated Agent ArchitectureforSoftware Defined Radio,” Ph.D. dissertation, Royal Inst. Technology, Stockholm, Sweden, 2000. • [2] IEEE 802.22 WG, IEEE 802.22 Project homepage, http:// www.ieee802.org/22/ • [3] IEEE P802.22/D0.1, “Draft Std for Wireless Regional Area Networks Part 22: Cognitive Wireless RAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Policies and Procedures for Operation in the TV Bands.”

  38. REFERENCES • [4] FCC, ET docket no. 04–113, “Notice of Proposed Rulemaking,”May 2004. • [5] C. R. Stevenson et al., “Functional Requirements for the802.22 WRAN Standard r47.” • [6] C. Cordeiroet al., “IEEE 802.22: The First Worldwide Wireless Standard Based on Cognitive Radios,” Proc. 1stIEEE Symp. New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks, 2005, pp. 328–37.

  39. [7] G. Chouinard, D. Cabric, and M. Gosh, “Sensing Thresholdsr8,” Tech. proposal submitted to the IEEE 802.22WG. • [8] W. Hu and E. Sofer, “22-05-0098-00-0000_STM-Runcom_PHY-MAC_Outline,” Technical proposal submitted to IEEE 802.22 WG. • [9] L. Chu et al., “22-06-0113-01-0000 Dynamic Frequency Hopping Community,” Tech. proposal submitted toIEEE 802.22 WG. • [10] http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX2820-MAX2821A.pdf • [11] ILOG CPLEX Div., CPLEX 9.0 Reference Manual, 2003.

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