1. Il contesto tecnologico
White Spaces e sistemi
radio cognitivi
Alberto Perotti, Sergio Benco, Floriana Crespi
Integrated Networks Lab
R&D Department, CSP

2. Outline
Uso opportunistico dello spettro e
sistemi radio cognitivi
Le funzioni principali
Le osservazioni
Gli sviluppi in CSP
Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white
spaces
CSP Plenary Meeting 2011 - INLab
White Spaces - aspetti tecnologici 2

3. Outline
Uso opportunistico dello spettro e
sistemi radio cognitivi
Le funzioni principali
Le osservazioni
Gli sviluppi in CSP
Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white
spaces
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White Spaces - aspetti tecnologici 3

4. Uso opportunistico dello spettro
Opportunità trasmissive
Canali di comunicazione che, in una data area e per un
dato intervallo di tempo, non risultano utilizzati
...da utenti che effettuano trasmissioni in bande non soggette
a concessione di licenza
...da utenti che hanno acquisito la licenza di trasmettere –
primary users (PU) – ma, per varie ragioni, non lo fanno
Tratto da:
L. Tong, Cornell Univ.
ICSSC 2008
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5. Uso opportunistico dello spettro
Opportunità trasmissive Tratto da C. Cordeiro et al.,
“IEEE 802.22: An Introduction to the First Wireless
Standard based on Cognitive Radios,”
Journal of Communications, VOL. 1, NO. 1, Apr 2006.
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6. Sistemi radio cognitivi
Sistemi radio cognitivi
acquisire conoscenza sull’utilizzo dei canali di
radiocomunicazione in prossimità dell’area in cui si opera
impiegare tecniche trasmissive opportune
...al fine di favorire la coesistenza
tra i sistemi primari ed i sistemi cognitivi: secondary users (SU)
tra un sistema cognitivo ed altri sistemi cognitivi eventualmente operanti
nella stessa area e nelle stesse bande
Tratto da:
L. Tong, Cornell Univ.
ICSSC 2008
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White Spaces - aspetti tecnologici 6

7. Sistemi radio cognitivi
Possibili architetture
Sistemi basati su infrastruttura (IEEE 802.22 cognitive
wireless regional area network – WRAN)
Struttura formata da base station (BS) ed apparati
d’utente
La BS coordina le operazioni di trasmissione all’interno
della cella
Possono/devono accedere a data base georeferenziati
contenenti informazioni relative alle trasmissioni
Sistemi autonomi
Si basano esclusivamente su ossevazioni locali (sensing
autonomo)
Possono scambiarsi le informazioni di sensing mediante
un canale di controllo (sensing distribuito)
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8. Sistemi radio cognitivi
Backhaul
connection
White WSD
Spaces BS
WSD
Infrasctructure-based
WS system
Autonomous WSD
WS system WLAN
WLAN
AP
Cable
router
WSD conn.
WSD
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9. Outline
Uso opportunistico dello spettro e
sistemi radio cognitivi
Le funzioni principali
Le osservazioni
Gli sviluppi in CSP
Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white
spaces
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10. Principali funzioni di un
sistema CR
Riferimento: lo standard IEEE 802.22
Approvato a fine 2010
Definisce un sistema di radiocomunicazione cognitivo punto-
multipunto per l’accesso radio alle reti dati (WRAN) in grado di
operare come sistema secondario nelle bande destinate al
broadcasting televisivo ed altre trasmissioni a bassa potenza
Il sistema è formato da
una base station (BS)
uno o più customer premises equipment (CPE)
Livello fisico
Codifica di canale e modulazione adattative ad elevata efficienza
spettrale (fino a 3.78 bits/s/Hz)
Modulazioni a portanti multiple (OFDM)
Accesso multiplo di tipo OFDMA
Tecniche di codifica di canale (FEC) ad elevate prestazioni
(turbo codici, LDPC)
Livello MAC
Servizio di tipo punto-multipunto
Meccanismi per consentire la coesistenza con altre reti 802.22
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11. Schemi di comunicazione
Confronto con lo standard 802.16 (WiMAX)
Codifica di canale e modulazione: simili alle
tecniche usate nel DVB-T Tratto da:
C. R. Stevenson et al.,
“IEEE 802.22: The First Cognitive Radio
Wireless Regional Area Network Standard,”
IEEE Communications Magazine, Gennaio 2009.
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12. Schemi di comunicazione
Schemi di codifica e modulazione
QPSK 64QAM, code rate: 1/2 5/6
Velocità di trasmissione (canale di 6 MHz):
4.54 Mbits/s 22.69 Mbits/s
Tratto da:
C. R. Stevenson et al.,
“IEEE 802.22: The First Cognitive Radio
Wireless Regional Area Network Standard,”
IEEE Communications Magazine, Gennaio 2009.
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White Spaces - aspetti tecnologici 12

13. Principali funzioni di un
sistema CR
Funzioni cognitive
Coordinate dallo Spectrum Manager (lato BS)
La BS deve conoscere la propria posizione e al posizione di
tutti i CPE che fanno parte della rete
Sistema di radiolocalizzazione, sia alla BS che al CPE
La BS deve avere accesso ad un data base contenente
Informazioni relative alle trasmissioni primarie
Informazioni relative ad altri sistemi 802.22 operanti
nella stessa nell’area
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White Spaces - aspetti tecnologici 13

14. Gestione dello spettro
Tratto da:
C. R. Stevenson et al.,
“IEEE 802.22: The First
Cognitive Radio
Wireless Regional Area
Network Standard,”
IEEE Communications
Magazine, Gennaio 2009.
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White Spaces - aspetti tecnologici 14

15. Gestione dello spettro
Bandwidth aggregation Tratto da C. Cordeiro et al.,
“IEEE 802.22: An Introduction to the First Wireless
(channel bonding) Standard based on Cognitive Radios,”
Journal of Communications, VOL. 1, NO. 1, Apr 2006.
Il sistema WRAN può
operare nel canale N
solo se il canale N-1
ed il canale N+1 sono
bianchi.
È possibile aggregare
canali non contigui
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White Spaces - aspetti tecnologici 15

16. Outline
Uso opportunistico dello spettro e
sistemi radio cognitivi
Le funzioni principali
Le osservazioni
Gli sviluppi in CSP
Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white
spaces
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White Spaces - aspetti tecnologici 16

17. Le osservazioni
Campagna di misure
dello spettro radio
nelle bande UHF
televisive (Usseglio) 1st & 2nd
site
Intervallo di frequenze: 3rd site
470-862 MHz
(canale 21-69 banda UHF)
Strumentazione:
analizzatore di spettro R&S
(Resolution BW: 10 KHz,
Freq. span: 128 MHz)
Antenne: Usseglio
1) Omnidirezionale (AN4786, 2dBi) tower
2) Direttiva (LT-860, 70°V, 70°O, 9dBi) site
Modulo CSP Spectrum Sensing
DVB-T basato su USRP2
White Spaces - aspetti tecnologici 17

18. Usseglio tower site
measurements
Omnidirectional antenna (2 dBi), BW: 470-862 MHz
ch30 ch49
ch26 546 MHz ch40 698 MHz
514 MHz Germagnano 626 MHz Corio (TO)
Eremo (TO) RAI MUX2 Germagnano MEDIASET
RAI MUX3 RAI MUX4 MUX4
Only channel 26 (RAI MUX3) could be
received with acceptable quality by a
portable DTV receiver (OMNI ANT)
White Spaces - aspetti tecnologici 18

19. Usseglio tower site measurements
(Log-periodic antenna, beamw.:70°, G=9 dBi)
Direction: North, Pol: Vert
Direction: North, Pol: Horiz
White Spaces - aspetti tecnologici 19

20. Third site: Usseglio valley measurements
(Log-periodic antenna, beamw.: 70°, G=9 dBi)
Direction: North, Pol: Vert
Direction: North, Pol: Horiz
White Spaces - aspetti tecnologici 20

21. Third site: Usseglio valley measurements
(Log-periodic antenna, beamw.: 70°, G=9 dBi)
Direction: West, Pol: Vert
Direction: West, Pol: Horiz
MUX
RETEA1 MUX 4
Mediaset
White Spaces - aspetti tecnologici 21

22. Third site: Usseglio valley measurements
(Log-periodic antenna, beamw.: 70°, G=9 dBi)
Direction: East, Pol: Vert
Direction: East, Pol: Horiz
White Spaces - aspetti tecnologici 22

23. Third site: Usseglio valley measurements
(Log-periodic antenna, beamw.: 70°, G=9 dBi)
Direction: South, Pol: Vert
Direction: South, Pol: Horiz
White Spaces - aspetti tecnologici 23

24. Outline
Uso opportunistico dello spettro e
sistemi radio cognitivi
Le funzioni principali
Le osservazioni
Gli sviluppi in CSP
Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei white
spaces
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White Spaces - aspetti tecnologici 24

25. Gli sviluppi in CSP
Realizzazione di prototipi di sistemi e reti wireless
cognitive operanti nei white spaces
Uso di software open-source come framework per lo
sviluppo di librerie specifiche
Uso di dispositivi a basso costo programmabili e
riconfigurabili come front-end analogici a
radiofrequenza per la realizzazione dei prototipi
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White Spaces - aspetti tecnologici 25

26. Gli sviluppi in CSP
Un modulo di trasmissione e ricezione ad elevata
efficienza spettrale
Utilizza gli schemi di codifica di canale e modulazione
del DVB-T, opportunamente modificati per la
trasmissione a pacchetti
Velocità di trasmissione stimata di oltre
20 Mbit/s su una banda di 8 MHz
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White Spaces - aspetti tecnologici 26

27. Gli sviluppi in CSP
Un modulo di spectrum sensing per la determinazione
dell’occupazione dei canali DVB-T
Utilizza algoritmi di rilevamento delle trasmissioni ad alte
prestazioni basati sulle caratteristiche di ciclostazionarietà dei
segnali OFDM usati nelle trasmissioni televisive digitali
Consente, in certe condizioni, di rilevare trasmissioni DVB-T a
livelli di 25 dB inferiori rispetto al livello minimo di segnale
consentito per i ricevitori standard
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White Spaces - aspetti tecnologici 27

28. Gli sviluppi in CSP
Un modulo di spectrum sensing per la determinazione
dell’occupazione dei canali DVB-T
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White Spaces - aspetti tecnologici 28

29. Gli sviluppi in CSP
Prestazioni del sistema di spectrum sensing di CSP
SNR (PD=0.9) = -17 dB
Symbols = 100
Tdet = 112.00 ms + Tproc
PNEST = -93.03 dBm (USRP2)
Sensitivity = -110 dBm
Tratto da:
S. Benco et al. (CSP – ICT Innovation),
articolo presentato al worshop
“Cognitive Radio and Networking for
Cooperative Coexistence of Heterogeneous
Wireless Networks” della COST Action 0902.
White Spaces - aspetti tecnologici 29

30. DVB-T Spectrum sensing using
Software Defined Radio: first results
-110dBm
PD = 90%
White Spaces - aspetti tecnologici 30

31. Outline
Uso opportunistico dello spettro e
sistemi radio cognitivi
Le funzioni principali
Le osservazioni
Gli sviluppi in CSP
Un’architettura cooperativa per l’utilizzo dei
white spaces
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White Spaces - aspetti tecnologici 31

32. Un’architettura cooperativa
per l’utilizzo dei white spaces
Al segnale televisivo (primario) che viene trasmesso
mediante trasmetittori o ripetitori può essere
sovrapposto, mediante opportune tecniche, un segnale
in modo da formare un canale di segnalazione
ausiliario a basso bit-rate
La segnalazione ausiliaria viene usata per diffondere,
insieme col segnale primario, le informazioni sulla
eventuale disponibilità di white spaces nell’area
servita
La degradazione del segnale primario dovuta alla
sovrapposizione della trasmissione ausiliaria viene
compensata dalla maggiore potenza attribuita al
segnale complessivo. In tal modo, la qualità percepita
non viene ridotta.
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White Spaces - aspetti tecnologici 32

33. Un’architettura cooperativa
per l’utilizzo dei white spaces
Auxiliary Primary TX
signalling Primary RX
Encoder-modulator
DVB-T TV set
DVB-T receiver
Encoder-modulator
MPEG
TS
Enhanced
Primary DVB-T
communication receiver WLAN
(broadcast) WS
transceiver WLAN
Secondary AP
Cable
communication router
conn.
Enhanced
DVB-T receiver
WS transceiver
WLAN AP
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White Spaces - aspetti tecnologici 33

34. Contatti
Alberto Perotti
Integrated Networks Laboratory
R&D Department
mail: alberto.perotti@csp.it
tel: +39 011 481 5117
Mobile: +39 342 0711524
CSP innovazione nelle ICT
Sede
via Livorno 60 - 10144 Torino
Edificio Laboratori A1
Tel +39 011 4815111
Fax +39 011 4815001
E-mail: info@csp.it
www.csp.it
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