4-2-WRAN

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12/4/2008
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Outras Iniciativas para o Acesso sem Fios
Ewaldo Luiz de Mattos Mehl
Universidade Federal do Paraná
TE155-Redes de Acesso sem Fios
Departamento de Engenharia Elétrica
mehl@eletrica.ufpr.br
Outras Iniciativas para o Acesso sem Fios
TE155-Redes de Acesso sem Fios
•WiBro
•WRAN (IEEE 802 22)•WRAN (IEEE 802.22)
• Bluetooth
• ZigBee (IEEE 802.15.4)
• Ultra-Wideband (UWB) & Wireless USB
•Wireless HD (High Definition)Wireless HD (High Definition) 
• Radio Frequency Identification (RFID)
Standards Activities Board
Grupos de Trabalho IEEE 802
TE155-Redes de Acesso sem Fios
802.3
CSMA/CD
Ethernet
1-100 Mbps
802.5
Token 
Passing 
Ring
802.11
Wireless
WLAN
802.15
Wireless
Personal
Area 
Networks
802.19
Co-existence
TAG
Sponsor
IEEE 802
Local and Metropolitan Area Networks
(LMSC)
Sponsor Sponsor Sponsor
802.17
Resilient
Packet
Ring
802.21
Media
Independent
Handoff 
802.1
Higher
Layer
LAN
Protocols
802.20
Mobile
Broadband
Wireless
Access 
802.18
Radio
Regulatory
TAG
802.16
Broadband
Wireless
Broadband 
Access
802.22
Wireless
Regional
Area
Networks
Grupos que trabalham com
redes cabeadas
Grupos de Trabalho IEEE 802
TE155-Redes de Acesso sem Fios
Standards Activities Board
802.3
CSMA/CD
Ethernet
1-100 Mbps
802.5
Token 
Passing 
Ring
802.11
Wireless
WLAN
802.15
Wireless
Personal
Area 
Networks
802.19
Co-existence
TAG
Sponsor
IEEE 802
Local and Metropolitan Area Networks
(LMSC)
Sponsor Sponsor Sponsor
802.17
Resilient
Packet
Ring
802.21
Media
Independent
Handoff 
802.1
Higher
Layer
LAN
Protocols
802.20
Mobile
Broadband
Wireless
Access 
802.18
Radio
Regulatory
TAG
802.16
Broadband
Wireless
Broadband 
Access
802.22
Wireless
Regional
Area
Networks
Grupos que trabalham com
redes sem fios
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Grupos de Trabalho IEEE 802
IEEE
802
TE155-Redes de Acesso sem Fios
802.11
WLAN
802.15
WPAN
802.16
WMAN
802.11b
11 Mbit/s
802.15.1
Bluetooth
802.16d
Fixed
…802.20
WMAN
Mobile
802.22
WRAN
802.22.1
Enhanced
Part 74
protection
802.18
Regulatory
Matters
802.11g
54 Mbit/s
…
802.15.3
High rate
802.11n
100 Mbit/s
…
802.16e
Mobile 802.22.2
Recommended
Practice802.11j
Relay
…
802.15.4
Zigbee
Wi-Fi Wi-MAX
IEEE 802.22 - WRAN
• WRAN: Wireless Regional Area Network
TE155-Redes de Acesso sem Fios
• Regiões com baixa densidade populacional
(10 a 100 hab/km2) tem grande dificuldade
para acesso à Internet
• Grupo IEEE 802.22 criado em 2004
P t tili ã d i li d TV• Proposta: utilização de canais livres de TV
em VHF e UHF (entre 54 MHz e 862 MHz) para 
acesso à Internet em 
áreas rurais.
IEEE 802.22 - WRAN
TE155-Redes de Acesso sem Fios
Exemplo: Espectro de ocupação de canais de TV em um local próximo
da cidade de Seattle nos EUA.
 FREQ VISUAL AURAL ERP ANT
CH CALL CITY STATE AZIMUTH DISTANCE OFFSET FREQ FREQ KW HAAT
4 KOMO-TV SEATTLE WA 251 12 Zero 67.25 71.75 100 2,359
5 KING-TV SEATTLE WA 250 12 + 77.26 81.76 100 1,650
7 KIRO-TV SEATTLE WA 251 12 Zero 175.25 179.75 316 1,804
9 KCTS-TV SEATTLE WA 241 11 Zero 187.25 191.75 316 1,096
11 KSTW TACOMA WA 241 11 + 199.26 203.76 316 784
16 KONG-TV EVERETT WA 250 12 - 483.24 487.74 5000 820
22 KTWB-TV SEATTLE WA 241 11 + 519.26 523.76 5000 889
33 KWPX BELLEVUE WA 153 14 + 585.26 589.76 3720 2,001
45 KHCV SEATTLE WA 153 14 + 657.26 661.76 2000 1,611
51 KWOG BELLEVUE WA 153 14 + 693.26 697.76 3800 761
56 KWDK TACOMA WA 153 14 Zero 723.25 727.75 3980 2,280
25 de maio de 2004:
TE155-Redes de Acesso sem Fios
IEEE 802.22 - WRAN
O FCC dos EUA divulgou uma proposta
(Proposed Rulemaking) de permitir o
uso de permitir o uso de canais não-
licenciados de TV em áreas onde estes
canais não estejam sendo usados.j
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Voltada para Acesso Fixo.
Limite de Potência no Cliente: 1 W
TE155-Redes de Acesso sem Fios
IEEE 802.22 - WRAN
Limite de ganho da antena: 6 dBi
Registro obrigatório em um provedor de 
serviços.
Geo-localização: GPS ou instalação 
profissional.p o ss o a
Será necessário a transmissão de um 
identificador único para cada cliente.
Spectrum sensing: busca de canais livres.
1 W + antena de 6 dBi = 4 W EIRP.
Somente permitirá acesso ponto-para-multiponto (uma 
estação base + diversos clientes)
TE155-Redes de Acesso sem Fios
IEEE 802.22 - WRAN
estação base + diversos clientes).
A estação-base determinará as características da rede em 
função do número de clientes conectados a cada instante.
A estação-base será instalada e mantida por um provedor 
licenciado pelo órgão regulatório.
As antenas dos clientes (Customer Premise Equipment –
CPE – antenna) instalada no mínimo 10m acima do solo.)
Cada CPE não irá transmitir se não estiver associada a uma 
estação base.
A estação-base manterá uma base de dados de clientes 
cadastrados e se adaptará automaticamente à 
disponibilidade de canais da região.
IEEE 802 22
RAN “Regional Area Network”
WRAM e outras Redes IEEE
30 100 k
TE155-Redes de Acesso sem Fios
IEEE 802.2230-100 km
54 - 862 MHz
(Teste realizado com uma antena localizada a 22.1 m acima do solo 
em uma região rural a oeste da cidade de Ottawa, no Canada)
Disponibilidade de espectro abaixo de 1 GHz
Low UHF
TE155-Redes de Acesso sem Fios
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4
90
100
Ground
h
Antenna
aperture
Estudo da Freqüência ótima para acesso sem 
visada direta
TE155-Redes de Acesso sem Fios
Reduced
refraction
Doppler
spread
40
50
60
70
80
c
o
m
p
l
e
x
i
t
y
/
c
o
s
t
 
(
%
)
Industrial
i
Ionospheric
reflection
Foliage
absorption
%
bandwidth
wave reach
Filter
selectivity
Phase
noise
0
10
20
30
.03 0.1 1 50.3 3
Frequency (GHz)
R
e
l
a
t
i
v
e
 
Cosmic
noise
noise
Rain fade
Outdoor/indoor
attenuation
Noise
Figure
WRAN:
MAC
Long round-trip
TE155-Redes de Acesso sem Fios
Long round-trip 
delays
QPSK
16-QAM
64-QAM
PHY
Adaptive 
modulationmodulation
Proposta de CPE (Customer Premise Equipment ) 
baseado em sintonizadores UHF para TV
Entrada
TE155-Redes de Acesso sem Fios
Entrada 
de RF
Conector 
RJ45 
Ethernet p/ o 
computador
Saída de 
RF
Fonte de 
alimentação
WRAN: Taxas de Transmissão e Cobertura Previstas
Typical WRAN service model 
RF channel bandwidth 6 MHz 
Typical spectrum efficiency 3 bit/(s*Hz)
TE155-Redes de Acesso sem Fios
Typical spectrum efficiency 3 bit/(s Hz)
Channel capacity 18 Mbit/s 
Per subscriber capacity (forward) 1.5 Mbit/s (peak min.) 
Per subscriber capacity (return) 384 kbit/s (peak min.) 
Over-subscription ratio 50:1 
Subscribers per forward channel 600 
Minimum viable operation 
Minimum number of subscribers 90 
Initial penetration 5 % 
Potential full penetrationPotential full penetration
Potential number of subscribers 1,800 
Number of person per household 2.5 
Population per coverage area 4500 
Type of operation USA Other? 
WRAN base station EIRP limit 4 Watts 100 Watts (?) 
WRAN user terminal EIRP limit 4 Watts 4 Watts (?) 
Coverage radius 16.7 km 30.7 km 
Minimum population density 5.1 person/km2 1.5 person/km2
12/4/2008
5
(
%
)
80
90
100
www.crc.cawww.crc.ca
Perspectiva de usuários (EUA e Canada)
Optical fiber
Cable modem
ADSLMW wireless
b
R
e
l
a
t
i
v
e
 
c
o
m
p
l
e
x
i
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/
c
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S
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r
a
l
S
p
a
r
s
e
l
y
 
p
o
p
u
l
a
t
e
d
20
30
40
50
60
70
Satellite
802.22 WRAN
0 8 M
1.2 M
1.6 M
2.0 M
r
 
d
e
n
s
i
t
y
 
b
i
n
 
(
M
i
l
l
i
o
n
)
Population density (per km2)
0
10
20
0.1 1 10 100 1,000 10,000 100,000
0.4 M
0.8 M
0.0 M
P
o
p
u
l
a
t
i
o
n
 
p
e
r
Satellite WRAN100 W Base Station
4 W User terminal
ADSL, Cable, ISM and UNII Wireless and Optical Fiber
4 W Base Station
FCC Definition of ‘Rural’
Interferência com TV Digital (DTV)?
<= DTV <= WRAN
TE155-Redes de Acesso sem Fios
Saturação do receptor de DTV pela transmissão WRAN => será 
necessário controlar a potência transmitida!
DTV station
Proposta do IEEE 
802.22:
Base station power: 4 W(USA)
Antenna height: 75 m
BS keep-out distance:
Co-channel: 31 km
Adjacent channel: 1 km
TE155-Redes de Acesso sem Fios
30 km
23 km
15 km
QPSK
16-QAM
64-QAM
Antenna height: 75 m
CPE keep-out distance:
Co-channel: 3 km
Adjacent channel: 70 m
Max throughput per 6 MHz:
4.2 Mbit/s downstream
384 kbit/s upstream
Max throughput per 6 MHz:
23 Mbit/s
Minimum service availability:
location= 50%
time= 99.9%
User terminal (CPE) power: 4 W
antenna height: 10 m
“Rádios Inteligentes”
Cognitive Radios
Permitem o compartilhamento do espectro
TE155-Redes de Acesso sem Fios
p p
eletromagnético.
Os rádios adaptam-se ao espectro
eletromagnético disponível em tempo real e
de acordo com as condições do local de
operação..
Possibilitam o uso flexível e eficiente do
espectro eletromagnético.
Reduzem o risco de interferências danosas
aos usuários e serviços já estabelecidos.
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Implantação de “Radios Inteligentes” 
Cognitive radios 
1. Cadastro em Banco de Dados + Geo-
TE155-Redes de Acesso sem Fios
Localização: Determinará se o dispositivo pode
operar naquele local.
2. Sinal de Controle: Receberá um sinal de controle
oriundo de uma estação licenciada, indicando quais
canais estão livres ou ocupados na região.
3. Sensibilidade ao Espectro: O dispositivo faráp p
uma varredura de uma faixa do espectro
eletromagnético para determinar quais canais de TV
estão em uso.
1- Problemas associados à proposta de 
Banco de Dados e Geo-Localização
O registro no Banco de Dados pode ter falhas.
TE155-Redes de Acesso sem Fios
g p
A atualização do Banco de Dados será
complicada, pois o ambiente estará sofrendo
mudanças constantes.
Aparelhos de GPS não operam adequadamente
em locais abrigados (a antena do CPE deverá
obrigatoriamente ser externa!)obrigatoriamente ser externa!).
Proposta de Solução: O Banco de Dados e a geo-
localização terão que ser complemenadas com
técnicas de varredura do espectro e verificação
de quais canais estão livres.
2- Problemas associados à Técnica 
de Controle de Sinal
Superposição de Sinais de Controle provenientes
TE155-Redes de Acesso sem Fios
p p ç p
de diferentes fontes pode causar falhas no
sistema e impedir a transmissão.
Não há justificativa para que as estações de TV
já licenciadas enviem um sinal de controle para
um sistema não–licenciado.
Solução Proposta: o sinal de controle terá queSolução Proposta: o sinal de controle terá que
ser emitido pela estação-base, operada pelo
provedor de acesso.
3- Problemas com a Técnica de 
Rastreamento do Espectro
O “ambiente eletromagnético” muda 
TE155-Redes de Acesso sem Fios
g
constantemente e é afetado por: 
- sinais refletidos
- atenuação atmosférica
- obstáculos móveis
Estruturas e acidentes topográficos podem criar
áreas de sobra, onde um determinado canal de TV,
poderia ser falsamente detectado como disponível.
Solução Proposta: bloqueio de emissões realizadas
por CPEs localizadas em regiões “proibidas” ou em
canais não disponíveis.
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Cronograma IEEE 802.22
TE155-Redes de Acesso sem Fios
Janeiro 2008:
Té i d t ã d t t d IEEETérmino da votação do texto da norma IEEE 
802.22. (versão final)
Primeiro semestre de 2008:
Publicação da versão final da norma IEEE 
802.22.
2009:
Previsão de montagem dos primeiros sistemas 
comerciais (EUA e Canadá).
Conclusões
A utilização de canais livres de TV parece ser 
uma boa alternativa para acesso à Internet 
TE155-Redes de Acesso sem Fios
p
em áreas rurais. 
É necessário garantir as transmissões das 
emissoras já licenciadas.
A tecnologia proposta pelo grupo IEEE 
802.22 tem diversos problemas práticos a p p
serem superados, obrigando o uso de 
cognitive radios.
A interferência com sinais de TV digital só foi 
estudada por enquanto com o sistema norte-
americano (DTV).