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IEEE 802.22: The First Cognitive Radio Wireless Regional Area Network Standard

IEEE 802.22: The First Cognitive Radio Wireless Regional Area Network Standard. 2009 IEEE Communications Magazine • January 2009. 指導教授 : 郭文興 學生 : 林祺富. ABSTRACT. 本文敘述了一個高階的 802.22 無線網路的概念 描述了 PHY 和 MAC 層的運作 感知的功能和條件. 目錄. ABSTRACT INTRODUCTION DYNAMIC SPECTRUM ACCESS

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IEEE 802.22: The First Cognitive Radio Wireless Regional Area Network Standard

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  1. IEEE 802.22: The FirstCognitive Radio WirelessRegional Area Network Standard 2009 IEEE Communications Magazine • January 2009 指導教授:郭文興 學生:林祺富

  2. ABSTRACT • 本文敘述了一個高階的802.22無線網路的概念 • 描述了PHY和MAC層的運作 • 感知的功能和條件

  3. 目錄 • ABSTRACT • INTRODUCTION • DYNAMIC SPECTRUM ACCESS • SYSTEM ASPECTS • REFERENCE ARCHITECTURE • PHYSICAL LAYER • PHY FEATURES • ADAPTIVE MODULATION AND CODING • PREAMBLE, PILOT PATTERN, ANDCHANNELIZATION

  4. 目錄 • MAC LAYER • DATA TRANSMISSION • SUPERFRAME AND FRAME STRUCTURE • NETWORK ENTRY AND INITIALIZATION • SELF-COEXISTENCE • COGNITIVE FUNCTIONS • SPECTRUM MANAGER • GEOLOCATION AND DATABASE • SPECTRUM SENSING • A BRIEF OVERVIEW OF THEIEEE 802.22.1 BEACON • CONCLUSIONS • REFERENCES

  5. INTRODUCTION [1]電視頻寬擁有比較好的(NLOS)non-line-of-sight通訊技術和適合的天線大小,可以使用在覆蓋率很大的區域 [2]如何分享使用頻譜的相關法規在2004年5月公佈 [3]FCC在2008年11月提出可以在VHF(5-13)和UHF(14-51)的頻道中提供固定的系統來存取頻寬 [4]加拿大也往這個方向在前進,同意偏遠的地區可以利用UHF的電視頻寬,並且不會影響到電視收看 [5]裡面介紹了如何使用802.22(WRAN)系統 本文主要是在介紹802.22是如何利用頻譜並且不影響到主要使用者的使用權益

  6. DYNAMIC SPECTRUM ACCESS • 感知無線電藉由循環感知來運行 • 分析無線電的現況 • 預測現有的頻道狀況 • 預先建立模型 • 控制傳輸功率 • 頻譜的管理 • white space就是頻寬中未被使用的部份,也可能是在一個固定位置上的片段時間

  7. DYNAMIC SPECTRUM ACCESS • 下面2種方法是用在IEEE802.22 • geo-location/database:感知無線電結合了一個資料庫,可以知道哪些頻道是有用的且可以使用 • spectrum sensing:觀察周圍的頻寬並且分類出哪些頻譜是可以被佔用的 • 802.22網路必須可以快速的變更所使用的頻寬,避免影響到使用者

  8. SYSTEM ASPECTS • IEEE802.22的範圍一般是17~30KM,最大可以到100KM • IEEE802.22是點到多點的空中介面,一個(BS)最多可以對應255個(CPE) • BS傳輸資料到CPE就是(DS).CPE傳輸資料到BS就是(US) • IEEE802.22的(DS)大約是1.5 Mb/s,(US)大約是384 kb/s

  9. IEEE802.22和其他IEEE802網路的比較

  10. SYSTEM ASPECTS • (MLME)就是MAC層的管理單元 • (PLME)就是PHY的管理單元 • (SME MLME SAP)站台管理實體MAC層管理單元服務存取點 • (SME PLME SAP)站台管理實體層管理單元服務存取點 • (MLME PLME SAP) MAC層管理單元PHY層管理單元服務擷取點 • PHY層主要有3個功能 • 傳輸資料 • 頻譜的感知 • 相對應的位置

  11. SYSTEM ASPECTS • station managemententity (SME) • Asynchronous transfermode (ATM) • 一種數據交換技術，將用戶所要傳送的資料，切割為大小相同的封包來傳輸，利用硬體快速交換的特性，大幅提昇傳輸效率 • service access point (SAP) • 可以將來自發送端上層通訊協定的資料，通過下層的服務，傳送到接收端相對應的上層通訊協定 • PHYlayer management entity (PLME) • IEEE1394 • 數位攝錄影機連接至個人電腦平台，以便下載

  12. REFERENCE ARCHITECTURE • MAClayer management entities (MLMEs)裡面存在兩種功能 • Spectrummanager (SM)在BS • Spectrum automaton (SA)在CPE • (SA)提供一個自主的行為在每一個CPE,確保執行時沒有干擾不管是在初始化的時候,頻道切換的時候或是在和BS失聯的時候

  13. REFERENCE ARCHITECTURE

  14. PHYSICAL LAYER • IEEE802.22提供一個頻寬類似像ADSL和cable modems可是適用於鄉村地區 • IEEE802.22頻寬的範圍是在VHF/UHF TV頻寬54到862MHZ

  15. PHY FEATURES • IEEE802.22 • 是單一的空中介面 • 使用2048OFDMA技術來提供適合的NLOS • 不是每次都會剛好有1對以上的電視頻道可以使用,所以我們又提出了time-domain duplex (TDD)和frequency-divisionduplex (FDD)兩種方式 • 為了要能夠支援各個電視頻道,取樣的次數,載波的間隔,符號存在的時間,資料傳輸率會被排列

  16. PHY FEATURES • IEEE802.22會使用超樣取數,相同的FRAME和符號的結構,編碼的方式交替的依此類推 • 4個循環字首的的長度1/4, 1/8, 1/16, 和1/32 在符號的期間可以容許不同頻道的延遲 • IEEE802.22不接受多重的天線技術multiple-input multiple-output (MIMO)和beamforming

  17. PHY FEATURES • (EIRP) Equivalent Isotropically Radiated Power:等效全向輻射功率 天線發送出的功率(P)和該天線增益(G)的乘積 • SCH-superframe的控制頭 • FCH-frame 的控制頭 • Ranging-功率調整,分配時間 • UCS-共存情況 • Bw request- 頻寬的需求 • DCD(Downlink Channel Descriptor) • UCD(Uplink Channel Descriptor)描述實體層的通道參數，告知CPE如何設定BS所支援的調變與編碼

  18. PHY FEATURES

  19. ADAPTIVE MODULATION AND CODING • IEEE802.22訂出了12種組合和3種調變 • QPSK • 64-QAM • 16-QAM • IEEE802.22訂出了4種編碼率,可以依照不同的情況做選擇 • (1/2)(2/3)(3/4)(5/6) • 下圖第1個方法是用於Ranging, (BW)request 和UCS的公告 • 下圖第2個方法是用於coexistence beacon protocol (CBP) • 下圖3~14的方法都是用於傳輸資料

  20. ADAPTIVE MODULATION AND CODING • BPSK:一個symbol攜帶一個bit • QPSK：一個symbol攜帶兩個bit • (QAM)Quadrature Amplitude Modulation: 將數位訊號轉換為類比訊號 • (FEC)ForrowError Correction 先將資料編碼後再傳送出去,如果部份資料遺失了可以按照編碼機制在容許的範圍把他修改回來 • convolutional turbo code (CTC) , shortened block turbo codes (SBTC)和low density parity check (LDPC)效能高可是價格也高

  21. ADAPTIVE MODULATION AND CODING

  22. PREAMBLE, PILOT PATTERN, ANDCHANNELIZATION • preamble 的功能是burst的偵測,同步化和判斷頻道 • frame preamble • CBP preamble • superframe preamble • superframe preamble:包含了4個short training sequence (STS) • frame preamble:同步的判斷頻道,頻率和功率,包含了2個long training sequence (LTS). • CBP preamble: 同步的判斷CBP頻道,頻率和功率.包含一個STS

  23. PREAMBLE, PILOT PATTERN, ANDCHANNELIZATION • 現有(28subcarriers), (24 資料 subcarriers)和4 pilot subcarriers • 在(DS)中大約占了1440 (24 × 60) • 在(US)中要留2個subchannel給(Ranging, BW,UCS)所以占了1624 (28 × 58) • 一個pilot是7個OFDM symbols所以(UP)burst中最小的長度是7個OFDM symbols • (DS)的過程中為了快速的頻道判定所以沒有pilot的限制,所以會有長度低於7的OFDM symbols,而且也比較不需要pilot

  24. PHY FEATURES

  25. MAC LAYER • IEEE802.22MAC層提供一個機制 • 合併多個802.22WRAN系統 • 保護在電視頻寬中的主要使用者 • 支援感知的能力 • 靈活有效率的資料傳輸 • IEEE802.22可以應用在各個區域,不是只有侷限在鄉村特定的區域

  26. DATA TRANSMISSION • IEEE802.22是點對多點的傳輸,又可分為DS和US • 在DS時資料是依照DSmap來傳輸 • 在US的時候頻道的容量會被分享給CPE,每個CPE會依照(DAMA)的個方法來執行 • demand-assigned multiple access (DAMA):需要用的時候才會使用頻寬,可以自由調整不會浪費頻寬 • MAP裡面包含了在哪個子層執行,頻寬的分布,QOS和傳輸的參數設定和資料的傳遞 • IEEE802.22在基地台之間位址是48-bit,可是在內部傳輸位址是12-bit

  27. SUPERFRAME AND FRAME STRUCTURE • 802.22MAC使用superframe結構來有效的傳輸資料 和感知頻譜來保障主要使用者 • Superframe要透過BS傳輸資料並且包含一個SCH和16MACframe.每個frame大小是10ms • Frame又分為兩部分DSsubframe和USsubframe在他們中間會有一個界線作為區分 • 當DS中有一個PHY protocol data unit (PDU),US也會在不同的CPE中有PHY (PDU) • 一開始預設的BWrequest, UCSnotification,Ranging

  28. SUPERFRAME AND FRAME STRUCTURE • 在DS的傳輸中,CPE距離BS越遠會被安排在越早接收到資訊,用來降低round-trip delay • 為了降低傳撥延遲的時間在SCW的前後會各有一個佔了一個symbol的time buffer • 為了降低round-trip delay在rangingburst的前後會各有一個佔了2個symbol的time buffer

  29. PHY FEATURES

  30. NETWORK ENTRY AND INITIALIZATION • IEEE802.22和現有的技術差別在於多了 • 初始的感知,網路的同時性, • 存取頻道的資料庫, • 詳細的列出相對應的位址, • 發現CPE和BS的需求 • IEEE802.22也可以透過鄰近的networks提供最新的電視頻道使用資訊加強頻譜感知的功能

  31. SELF-COEXISTENCE • 太多的802.22系統容易造成干擾,所以如何合併也是相當重要的 • 802.22MAC提出了CBP和頻譜的分享方案 • (CBP) Coexistence beacon protocol 是一個傳輸信標的協定,可以透過它來合併WRAN系統 • (SCW) self-coexistence window • 一個CBP封包透過信標在SCW中傳輸在頻道上執行傳遞.包含preamble, SCH, CBP MAC PDU • 信標的傳輸對於IEEE802.22OFDMA傳輸是很重要的

  32. SELF-COEXISTENCE • 在IEEE802.22.1中信標傳輸持續的執行在802.22.1的裝置上面,表示主要使用者正在使用,不可以分享 • 在WRAN系統中不管是BS或是CPE都可以傳遞和接收CBP的封包 • 雖然SCW是以on-demand為主,每個WRAN系統還是要讓SCW維持在一個最小的循環在傳遞模式中 • 每個WRAN系統都會在自己的SCW中傳遞CBP封包或是分享給其他WRAN系統 • 每個WRAN系統也都會有一個時間是用來接收其他WRAN系統的CBP封包

  33. COGNITIVE FUNCTIONS • 802.22系統為了要能夠執行並且不影響到主要的電視頻寬使用者,所以必須具備感知的功能 • 感知的功能必須要有哪些條件 • 要確定每個BS和CPE的位置 • 存取可用頻道的資料庫, • 要具備感知的容量 • 容量就是指BS控制頻道的使用率和CPE最大的(EIRP)值所組成的感知功能 • 802.22就是要以能夠使用電視頻寬且不會讓主要使用者受到干擾為目的來執行

  34. SPECTRUM MANAGER • 頻譜的管理就是在BS感知功能中輸入 • Spectrumsensing function (SSF), • 相對應位置 • 電視頻道使用的狀況和EIRP的極限 • 頻譜的管理是位於MAC子層的管理單元裡面 • 頻譜的管理,spectrum automaton和不同的感知實體的關係可以用下圖來表示

  35. BS和CPE感知的關係圖

  36. SPECTRUM MANAGER • 假設一個WRAN在頻道N執行的時候確定會造成干擾影響到使用者,SM會有四個選擇的方式 • 把CPE的EIRP降低,可以除去局部地區的干擾 • 如果降低的CPE(EIRP)無法支援服務,就不要去承認這個CPE,這樣他就會去搜尋其他的服務 • 降低BS傳輸的的EIRP,解決干擾 • 在大部分的情況,降低BS的EIRP會造成遠處的CPE無法執行,所以SM開始移動BS和所有有關聯的CPE • 可是還是會有一些不能預期的干擾產生,最好的辦法還是一步一步的處理避免干擾

  37. GEOLOCATION AND DATABASE • 在IEEE802.22的草案中規定,所有的BS和CPE必須要能夠確定自己的位置,所以我們使用了GPS來定位 • 在IEEE802.22的另一個草案中規定,BS必須存取使用者的資料庫裡面提供了使用者最新的使用狀況 • CPE必須要在傳輸資料前先確定自己的位置,當他確定好位置之後可以嘗試尋找BS • BS必須存取一個資料庫,裡面要有詳細的使用者使用的頻寬和EIRP的大小

  38. GEOLOCATION AND DATABASE • 當CPE嘗試要連到BS會先發送位置過來,BS會在和CPE拿使用者的資料庫 • CPE可以把可用的頻道資訊和每個CPE各自的EIRP在不干擾主要使用者的情況下傳回到BS • 802.22禁止執行沒有在清單中和超出最大的EIRP值的頻道中,這樣會引起干擾

  39. SPECTRUM SENSING • 頻譜的感知包含了感知無線電的頻率和頻道中使用者占用的情況 • analog television • 數位電視 • 無線麥克風 • 感知的4個參數 • 接收感知的敏感度, • 頻道偵測的時間 • 可能的偵測, • 可能的錯誤時間

  40. SPECTRUM SENSING • 802.22頻譜感知的結構有4個主要的 • 頻道的感知 • Quiet periods • 同步的公佈 • 獨立執行 • Quiet periods: 這段時間主要是為了降低傳輸所造成的干擾, • 同步的公佈: 每個BS和CPE都會進行感知,必須要能夠同步的把大家的感知結果都發佈出來,才不會造成錯誤 • 獨立執行: 每個電視頻道都是獨立被感知的

  41. A BRIEF OVERVIEW OF THEIEEE 802.22.1 BEACON • 信標占用了頻寬77 kHz在6 MHz TV 頻寬和數位電視中頻道傳輸 • 無線麥克風最大的功率是250 mW在 UHF,的時候 50 mW在 VHF的時候 • 這個信標使用的天線比典型的無線麥克風更有效率

  42. CONCLUSIONS • IEEE802.22可以在VHF/UHF TV 頻寬中執行,並且不影響到使用者 • 解決了在鄉村中人煙稀少地方又大的傳輸問題 • 妥善的運用了頻譜

  43. REFERENCES • [1] U.S. FCC, ET Docket 02-380, “Notice of Inquiry, in thematter of Additional Spectrum for Unlicensed DevicesBelow 900MHz and in the 3GHz Band,” Dec. 20, 2002. • [2] U.S. FCC, ET Docket 04-186, “Notice of Proposed RuleMaking, in the matter of Unlicensed Operation in theTV Broadcast Bands,” May 25, 2004. • [3] U.S. FCC, ET Docket 08-260, “Second Report and Orderand Memorandum Opinion and Order, in the Matter ofUnlicensed Operation in the TV Broadcast Bands AdditionalSpectrum for Unlicensed Devices Below 900 MHzand in the 3 GHz Band,” Oct. 18, 2006.

  44. REFERENCES • [4] Industry Canada, Radio Systems Policy RP-06, “Where Initially TV channels 25, 34, 35, and 43 are Open for Licensing for Remote Rural Broadband Systems (RRBS),” June 2006. • [5] “IEEE P802.22/D1.0 Draft Standard for Wireless RegionalArea Networks Part 22: Cognitive Wireless RAN MediumAccess Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Policies and Procedures for Operation in the TV Bands,” Apr. 2008. • [6] J. Mitolla and G. Q. MaGuire, Jr., “Cognitive Radio: Making Software Radios More Personal,” IEEE Pers. Commun., Aug. 1999, pp. 13–18.

  45. REFERENCES • [7] S. Haykin, “Cognitive Radio: Brain-Empowered WirelessCommunications,” IEEE JSAC, Feb. 2005, pp. 201–20. • [8] IEEE Dynamic Spectrum Access Networks Conference;http://www.ieee-dyspan.org/ • [9] R. van Nee and R. Prasad, OFDM for Wireless MultimediaCommunications, Artech House, 2000. • [10] S. J. Shellhammer, “Spectrum Sensing in IEEE 802.22,”IAPR Wksp. Cognitive Info. Processing, June 2008.

  46. REFERENCES • [11] “IEEE P802.22.1/D2.0 Draft Standard for InformationTechnology — Telecommunications and InformationExchange Between Systems — Local and MetropolitanArea Networks – Specific Requirements — Part 22.1:Enhanced Protection for Low-Power, Licensed DevicesOperating in Television Broadcast Bands,” Oct. 2007.

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