Testarea Echipamentelor Conforme Standardului 802.11h Folosind Platforme Usrp

Diverse2

Testarea Echipamentelor Conforme Standardului 802.11h Folosind Platforme Usrp

Byadmin ianuarie 1, 2024

Testarea echipamentelor conforme standardului

802.11h folosind platforme USRP

Proiect de diplomă

Declarație de onestitate academică

Prin prezenta declar că lucrarea cu titlul “ Testarea echipamentelor conforme standardului 802.11h folosind platforme USRP”, prezentată în cadrul Facultății de Electronică, Telecomunicații și Tehnologia Informației a Universității “Politehnica” din București ca cerință parțială pentru obținerea titlului de Inginer în domeniul Electronică și Telecomunicații, programul de studii Tehnologii și Sisteme de Telecomunicații este scrisă de mine și nu a mai fost prezentată niciodată la o facultate sau instituție de învățământ superior din țară sau străinătate.

Declar că toate sursele utilizate, inclusiv cele de pe Internet, sunt indicate în lucrare, ca referințe bibliografice. Fragmentele de text din alte surse, reproduse exact, chiar și în traducere proprie din altă limbă, sunt scrise între ghilimele și fac referință la sursă. Reformularea în cuvinte proprii a textelor scrise de către alți autori face referință la sursă. Înțeleg că plagiatul constituie infracțiune și se sancționează conform legilor în vigoare.

Declar că toate rezultatele simulărilor, experimentelor și măsurătorilor pe care le prezint ca fiind făcute de mine, precum și metodele prin care au fost obținute, sunt reale și provin din respectivele simulări, experimente și măsurători. Înțeleg că falsificarea datelor și rezultatelor constituie fraudă și se sancționează conform regulamentelor în vigoare.

București, 26.06.2014

Listă acronime

ACK Acknowledge character – Cadru de confirmare

ADC Analog Digital Converter – Convertoare analog-digitale

AES Advanced Encryption Standard – Standard Avansat de Criptare

AP Access Point – Punct de acces

BPSK Binary Phase Shift Keying

BSS Basic Service Set – Set fundamental de servicii

CA Control Access – Controler de acces

CAC Channel Availability Check

CCA Computability and Complexity in Analysis – Calculabilitate și complexitate în analiză

CDMA Code – Division Multiple Access – Cod – divizie acces multiplu

CFP C Form-factor Pluggable

CP Contend Period – Perioadă de dispută

CPLD Complex Programmable Logic Device – Dispozitiv logic programabil complex

CSMA Carrier Sense Multiple Access

DAC Digital Analog Converter – Convertoare digital-analogice

DCF Distributed coordination function – Funcție de coordonare distribuită

DFS Dynamic Frequency Selection – Selectare dinamică a frecvenței

DIFS Distributed InterFrame Space – Spațiu distribuit între cadre

DQPSK Quadrature Phase Shift Keying

DSS Digital Spread Spectrum – Spectru digital de distribuție

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum

EAP Extensible Authentification Protocol

EIFS Extended InterFrame Space – Spațiu extins între cadre

EIRP Equivalent Isotropically Radiated Power

ESS Extended Service Set – Set extins de servicii

ETSI European Telecomunications Standards Institute – Institutul pentru Standarde aaaaaaaaaEuropene de Telecomunicații

FCC Federal Communications Commission – Comisia Federală de Comunicații

FPGA Field Programmable Gate Array – Arie programabilă de porți logice

GPSDO GPS Disciplanated Oscillator

IBSS Independent Basic Service Set – Set fundamental și independent de servicii

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers – Institutul Inginerilor Electrotehniști aaaaaaaaa și Electroniști

ISM Industrial, Scientific and Medical radio band – Banda radio rezervată la nivel aaaaaaaaainternațional pentru aplicații industriale, științifice și medicale

LAN Local Area Network – Rețea locală

MAC Medium Access Control

MIMO Multiple-Input and Multiple-Output – Intrări multiple și ieșiri multiple

MLME Mac Layer Management Entity –

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing – Multiplexare cu divizare orthogonală în aaaaaaaaafrecvență

PCF Point coordonation function – Funcție de coordonare punctuală

PDU Protocol Data Unit – Unitate de date de protocol

PHY Physical

PRF Pulse Repetition Frequency

QoS Quality of Service – Calitatea serviciilor

RISC Reduced Instruction Set Computing – Calcul cu set redus de instrucțiuni

RLAN Radio Local Area Network

RSSI Received Signal Strength Indicator – Indicator de putere a semnalului primit

SAP Service Access Point – Punct de accesare a serviciului

SIFS Short InterFrame Space – Spațiu scurt între cadre

SME Station Management Entity – Stație de autoritate administrativă

STA Station

SWIG Simplified Wrapper and Interface Generator – Generator simplificat pentru interfațare aaaaaaaaași împachetare

TBBT Target Beacon Transmission Time – Timpul de transmisie a semnalului luminos

TDD Test Driven Development

TPC Transport Power Control – Controlul puterii de transmisie

TPC Trasmit power control – Controlul puterii de transmisie

UHD USRP Hardware Driver

UNII Unlicensed National Information Infrastructure – Unlicensed National Information aaaaaaaaaInfrastructure – Infrastructura națională nelicențiată pentru informație

USRP Universal Software Radio Peripheral – Echipament software radio periferic

VPN Virtual Private Network – Rețea Virtuală Privată

WEP Wired Equivalent Privacy – Securitate echivalentă prin cablu

WLAN Wireless Local Area Network – Rețea locală fără fir

WMM Wi-Fi Multimedia

WPA Wireless Protected Access – Rețea fără fir cu acces protejat

Introducere

De-a lungul ultimilor ani, rețelele fără fir au beneficiat de o dezvoltare importantă pe plan mondial, fiind o soluție alternativă la aparatele cu fir (electric, din fibră optică și altele). Conexiunile fără fir au devenit tot mai populare, au devenit o parte dominantă a vieții noastre, însă au întâmpinat pe parcurs și probleme majore datorate multitudinii de dispozitive care impune un număr mare de benzi de frecvență. Astfel, spectrul radio este considerat un mijloc finit de canale cu diferite benzi de frecvență. Radioul cognitiv este o componentă cheie în sistemele de comunicații fără fir ale viitorului, și urmărește valorificarea și utilizarea eficientă a acestui spectru, fără a provoca fenomene semnificative care să dauneze echipamentelor licențiate.

În această lucrare sunt prezentate o serie de standarde cu acces dinamic la spectru utilizate în rețelele wireless. Accentul a fost pus pe standardul 802.11h, deoarece este un standard cu o contribuție foarte importantă în funcționarea corectă a echipamentelor ce comunică pe aceeași bandă de frecvențe, urmând ca în partea practică să fie realizată o aplicație care să determine parametri de performanță ai unui router care respectă acest standard cu ajutorul a două platforme USRP.

În primul capitol este prezentată o scurtă introducere despre Sistemul Radio Cognitiv, cu accentuarea nevoii de evoluare și dezvoltare a acestei tehnologii, precum și aspecte generale ale standardelor în care este specificat accesul dinamic la spectru.

Cel de-al doilea capitol începe cu o scurtă introducere în domeniul tehnologiei fără fir, urmată de prezentarea standardului IEEE 802.11, necesitatea implementării unei infrastructuri de comunicații wireless standard, precum și de descrierea succintă a principalelor standarde 802.11 existente. De asemenea, sunt ilustrate principalele caracteristici ale standardului 802.11h, avantajele și dezavantajele acestuia, selectarea dinamică a frecvenței, dar și elemente importante ale intervalelor de liniște, metode de măsurare a potențialelor interferențe și controlul puterii de transmisiune. Este amintit și Mecanismul Misery, care folosește o metodă simplă pentru a determina cea mai eficientă combinație dintre rata de transmisie și puterea de transmisie pentru fiecare cadru și Algoritmul Ad-hoc.

În capitolul trei este prezentată platforma SDR USRP N210, rulată și dezvoltată de firma Ettus Research și utilizată în procesul de detecție spectrală pentru interceptarea semnalelor reale. Sunt prezentate caracteristicile principale ale plăcii de bază, circuitul integrat FPGA Xilinx Spartan 3A-DSP 3400 care asigură procesarea digitală a semnalului precum și modulul de radiofrecvență folosit. În finalul capitolului este prezentat programul GNU Radio, prin intermediul căreia este posibilă formarea unei platforme complete pentru realizarea unui radio definit prin software.

Capitolul final al lucrării cuprinde elemente din structura interfeței grafice Matlab care a fost utilizată pentru implementarea metodei hibride de detecție spectrală, dar și metoda de prelucrare a datelor interceptate de platforma USRP cu ajutorul programului GNU Radio.

Capitolul 1. Standarde cu acces dinamic la spectru

1 .1. Tehnologia Radio Cognitiv[1]

Tehnologia Radio Cognitiv a fost definită ca având următoarele caracteristici:

accesul dinamic la spectru (DSA) – ne referim la capacitatea echipamentelor CR de a detecta rapid și corect prezența utilizatorilor principali, care au dreptul să opereze în benzile folosite și de utilizatorii secundari;

utilizarea în comun a spectrului, într-o manieră dinamică (DSS) – echipamentele CR trebuie să fie conștiente de existența și celorlalte echipamente, pentru a putea coexista și operații multi-canal asupra spectrului – precum alipire canalelor.

Standardul 802.22 este primul standard radio cognitiv care îndeplinește toate aceste trei caracteristici, având un rol deosebit de important în dezvoltarea tehnologiei de acest tip. Standardul 802.22 este cel care are șansa să îndeplinească obiectivul principal al tehnologiei radio cognitive: acela de a oferi servicii de bandă largă în zonele rurale și cele mai puțin populate, precum și eficientizarea ocupării spectrale.

Tehnologia Radio Cognitiv este considerată ca fiind o soluție prin care spectrul neutilizat să fie folosit eficient, astfel combătându-se utilizarea precară cu care se confruntă în prezent sfera comunicațiilor wireless. Tehnologia Radio Cognitiv oferă flexibilitate, eficiență dar și o transmisie sigură, prin adaptarea echipamentelor radio la caracteristicile reale ale mediului.

Utilizarea tehnologiei Radio Cognitiv a avut în vedere folosirea la maxim a spectrului neutilizat chiar dacă acest lucru ar presupune ca utilizatorilor să nu li se permită deținerea unor benzi de frecvențe care să nu fie folosite la maxim, sau mai rău, să nu fie folosite deloc. Benzile fără licență dețin un rol esențial în domeniul wireless și aici trebuie menționat faptul că aplicațiile radio cognitive WLAN/WMAN/WPAN au luat ființă prin folosirea acestor benzi.

Având în vedere succesul foarte mare al utilizării acestor benzi nelicențiate, dar și dezvoltarea tehnologiei care a urmat, a făcut ca anumite organizații să supervizeze modalitatea de folosire a spectrului de frecvențe și, atunci când a fost necesar, să facă recomandări în vederea îmbunătățirii metodelor de exploatare a resurselor radio.

Studiile referitoare la utilizarea spectrului au arătat că majoritatea benzilor alocate sunt utilizate sub limită. O rezervă impresionantă de spectru RF ar putea fi obținută atunci când ambele dimensiuni de utilizare a frecvențelor: timpul și spațiul vor fi luate în considerare. În aceste condiții se constată că problema insuficienței spectrului, așa cum este percepută astăzi, reprezintă în majoritatea cazurilor un caz de management ineficient al spectrului și nu o problemă de spectru insuficient.

Accesul dinamic la spectru DSA („Dynamic spectrum access”) își propune să rezolve această problemă a ineficienței utilizării spectrului actual. Rețelele de comunicații „Next Generation” (xG), cunoscute totodată și sub numele de rețele „Dynamic Spectrum Access” (DSANs) sau rețele „Cognitive Radio” înceaeloc. Benzile fără licență dețin un rol esențial în domeniul wireless și aici trebuie menționat faptul că aplicațiile radio cognitive WLAN/WMAN/WPAN au luat ființă prin folosirea acestor benzi.

Având în vedere succesul foarte mare al utilizării acestor benzi nelicențiate, dar și dezvoltarea tehnologiei care a urmat, a făcut ca anumite organizații să supervizeze modalitatea de folosire a spectrului de frecvențe și, atunci când a fost necesar, să facă recomandări în vederea îmbunătățirii metodelor de exploatare a resurselor radio.

Studiile referitoare la utilizarea spectrului au arătat că majoritatea benzilor alocate sunt utilizate sub limită. O rezervă impresionantă de spectru RF ar putea fi obținută atunci când ambele dimensiuni de utilizare a frecvențelor: timpul și spațiul vor fi luate în considerare. În aceste condiții se constată că problema insuficienței spectrului, așa cum este percepută astăzi, reprezintă în majoritatea cazurilor un caz de management ineficient al spectrului și nu o problemă de spectru insuficient.

Accesul dinamic la spectru DSA („Dynamic spectrum access”) își propune să rezolve această problemă a ineficienței utilizării spectrului actual. Rețelele de comunicații „Next Generation” (xG), cunoscute totodată și sub numele de rețele „Dynamic Spectrum Access” (DSANs) sau rețele „Cognitive Radio” încearcă să ofere utilizatorilor mobili o bandă de lucru mai mare, prin implementarea de tehnologii wireless diferite și prin accesarea dinamică a spectrului radio. Se speră ăntr-o îmbunătățire a eficienței spectrului, prin accesarea oportună a benzilor licențiate, fără a interfera cu echipamentele deja existente. Pentru a fi posibile toate acestea, este nevoie ca rețelele xG să depăsească anumite dificultăți cauzate de intervalele extinse ale spectrului neutilizat sau de calitatea serviciului („Quality of Service”), care se dorește să se păstreze în limite rezonabile.

Figura 1.1. Sistem Radio Cognitiv [2]

Tehnologia care susține rețele xG este tehnologia Radio Cognitiv. Aceasta oferă posibilitatea folosirii spectrului, chiar de către mai mulți utilizatori, într-o manieră „oportunistă”. Accesul dinamic la spectru permite tehnologiei radio cognitiv să opereze în canalul liber cel mai convenabil („the best available channel”).

Prin mecanismele sale de a recepționa informații legate de mediul de operare, capacitățile sale și de nevoile utilizatorului, un sistem ce folosește tehnologia Radio Cognitiv deține informațiile necesare pentru a-și proiecta singur soluția optimă pentru a îndeplini cerințele și constrângerile scenariului curent. Pentru a putea cântări câștigul din punctul de vedere al utilizării spectrului, câștig ce poate apărea într-un astfel de sistem CR, trebuie luate în considerare următoarele tehnici disponibile în echipamenele CR:

accesul dinamic la spectru

diversitatea multiutilizator

codarea inteligentă a legăturii.

Atunci când o nouă tehnologie este dezvoltată acest lucru se traduce prin echipamente noi ce operează în benzi noi în timp ce dispozitivele și tehnologiile deja existente continuă să opereze în benzile vechi. Datorită acestei abordări eficiențele spectrale a benzilor anterior alocate și ale transmisiunilor echipamentelor vechi nu vor putea fi îmbunătățite până când ele nu au fost înlocuite și benzile realocate – procedeu lent și rar utilizat.

Odată cu utilizarea platformelor radio software (platforme pe care forumul SDR crede ca echipamentele CR le va adopta) nu mai este necesară crearea unor noi dispozitive care să utilizeze noile tehnologii radio. În schimb, o actualizare software poate adăuga noi tehnologii radio la echipamentul deja existent. Datorită preocupărilor legate de reglementare acest lucru nu înseamnă neapărat că echipamentul va transmite în mod liber tehnologia radio nouă în banda existentă, ci reglementările legate de spectru sunt regândite astfel încât să permită această funcționare.

Tehnologia CR merge chiar mai departe decât cea radio software în promovarea evoluției tehnologiilor mult mai eficiente din punct de vedere spectral. Mai întâi capacitatea de acces dinamic la spectru înseamnă că formele de undă mult mai eficiente vor opera laolaltă cu celelalte forme de undă în alocările de bandă. Astfel vor trebui luate în considerare câștiguri spectrale ale noilor tehnologii la noile benzi alocate.

În al doilea rând dacă sunt dezvoltate noi reprezentări ale lucrurilor cunoscute și limbile de schimb de informații, forme de undă și tehnici mult mai eficiente pot fi în mod autonom distribuite în întreaga lume, accelerând în mod semnificativ evoluția comunicațiilor radio.

În al treilea rând capacitatea de a lucra cu reguli definite de software după realizare va conduce la o evoluție rapidă a regulilor legate de spectru. Teoretic această reducere se va resimți în scăderea costului pentru introducerea schimbărilor care, în schimb, trebuie să promoveze o atitudine dornică de a experimenta aceste reguli noi.

În mod suplimentar tehnologia CR oferă posibilitatea de a descoperi noi aplicații ce vor îmbunătăți semnificativ eficiența spectrală. Deoarece aceste aplicații sunt mult prea numeroase pentru a le enumera, se va avea în vedere potențialul impact al comunicațiilor cooperative, economia din punct de vedere spectral și managementul automat al resurselor radio.

1 .2. Ce este Standardul 802.22 [3]

Standardul IEEE 802.22 apărut oficial în 2004, este un standard pentru Rețele Regionale Fără Fir (WRAN) care folosește tehnologia radio cognitiv pentru utilizarea în comun a spectrului de frecvențe nefolosite de serviciile de televiziune. În mai 2004, FCC a propus ca benzile nelicențiate să opereze în interiorul benzilor de emisie TV, fără ca acestea să interfereze cu echipamentele de drept (ca de exemplu receptoarele TV ). Astfel,standardul a fost emis de IEEE sub numele de 802.22 WG pentru rețele WRAN, având ca obiectiv principal implementarea și dezvoltarea unor interfețe wireless bazate pe tehnologia Radio Cognitiv.

Rețeaua 802.22 este o rețea de tip P-MP („Point-to-multipoint”), formată dintr-o stație de bază numită BS („Base Station”) și echipamente CPE („Consumer Premise Equipments”), care vor fi atașate stației de bază printr-o legătură wireless. Aceste BS vor controla accesul pentru toate CPE atașate acestora. Standardul 802.22 presupune ca toate dispozitivele să fie poziționate într-o locație fixă și să conțină dispozitive GPS.

Figura 1.2. Interfață Standard 802.22[4]

Alte caracteristici ale rețelei 802.22:

eficiență spectrală: rază de 0.5 biti/(sec/Hz) la 5 biti/(sec/Hz)

rază de acțiune : BS până la 100 km, acoperire la nivel de regiune

putere mare și caracteristici favorabile de propagare a frecvențelor TV

Figura 1.3. Caracteristici ale standardului 802.22 WRAN[5]

Selecție dinamică a frecvențelor:

Subnivelul MAC are un caracter dinamic, ceea ce îi permite să răspundă rapid schimbărilor de mediu. Există două structuri primare care alcătuiesc subnivelul MAC: structura Superframe (supercadru) și structura Frame (cadru). Superframe-ul transmis de BS pe canalul de operare începe cu un Preambul și un Header de Control SCH („Superframe Control Header”), urmat de 16 frame-uri MAC.

SCH conține informații precum: ce canale sunt utilizate, ce perioade urmează să avem canale libere, suportul pentru sisteme cu antene adaptive. Pe durata fiecărui frame MAC, stația de bază este cea care coordonează operațiile de upstream (UP) și downstream (DS), care pot include transfer de date obișnuit, activități de măsurare, proceduri de coexistență.

Pentru evitarea interferențelor este necesară observarea spectrului de frecvențe radio și procesarea informațiilor pentru a determina starea unui canal. Cea mai comună abordare pentru detecția semnalelor în prezența zgomotului se bazează pe măsurători ale energiei semnalului. Ea se poate aplica oricarui tip de semnal și necesită informații minimale despre semnal, incluzând doar lațimea de bandă și frecvența purtătoare.

Se pot folosi și tehnici de procesare statistică a semnalului pentru recunoașterea unor caracteristici prezente în semnalele modulate, pe baza proprietății de ciclostaționaritate.

Ideea de coexistență cu alte tehnologii este critică pentru interfața radio 802.22.

Este necesar ca fiecare echipament CPE să dețină două antene separate (ambele sub controlul aceluiași MAC și PHY): o antenă uni-direcțională (pentru comunicația cu BS) și una omni-direcțională (pentru detecție).

Protocolul CBP („Coexistence Beacon Protocol”) permite CPE-urilor și BS-ului să trimită balize de semnalizare („beacons”) ce conțin informații utile concretizării coexistenței printre celulele 802.22 ce se suprapun.

1.3. Standardul IEEE 802.16h

Standardul IEEE 802.11h-2010 este un alt standard impotant deoarece este o extensie a standardului 802.16 prin care sunt exprimate rețelele WiMax necesare stabilirii rețelelor compatibile cu tehnologia radio cognitiv și care permit funcționarea rețelelor 802.16 în benzi nelicențiate.

Sunt expuse două mecanisme: de coexistență necoordonată (WirelessMAN-UCP), în care diferitele sisteme nu interacționează, mecanismul este compatibil cu sisteme eterogene, și de coexistență coordonată (WirelessMAN-CX) în care sistemele învecinate pentru realizării minimizării interferențelor determinate trebuie coordonate.

În realitate, o rețea WiMax poate conlucra într-o anumită frecvență cu utilizatori licențiați (specific spectrum users), dar și cu utilizatori nelicențiați (non specific users). O rețea WiMax poate avea niveluri variate de interferență raportate la clasele de utilizatori. Standardul 802.11 propune trei niveluri de interferență fezabile:

Interferența acceptabilă – acest tip de interferență poate fi folosit de utilizatorii licențiați, dar și de cei nelicențiați și este important deoarece performanțele unui receptor nu se deteriorează în cazul utilizării unor modulații și/sau a unor tipuri de codare.

Interferența dăunatoare – tipul acesta de interferență nu este recomandat utilizatorilor licențiați, dar poate fi folosit de cei nelicențiați și prin utilizarea acestuia, scad performanțele comunicației în termeni de modulație și codare.

Interferența distructivă – acest tip de interferență nu este recomandat nici unui tip de utilizator, deoarece receptorul nu mai poate decoda semnalul recepționat, orice tip de modulație ar fi folosit.

Standardul utilizează diverse mecanisme pentru asigurarea nivelelor acceptate de inteferență:

Detectarea altor tipuri de utilizatori;

Testarea canalelor pentru alți utilizatori;

Întreruperea comunicației dacă s-a detectat o anumită activitate pe un anumit canal;

Mecanisme de planificare a testării canalelor;

Selectarea și anunțarea unui nou canal;

Cererea și raportarea de măsurători efectuate de diferite noduri din cadrul rețelei.

Deși toate aceste metode sunt amănunțit prezentate, parametrii acestora nu sunt precizați iar instituțiile naționale care stabilesc condițiile în care spectrul este utilizat trebuie să îi aleagă.

Standardul 802.16h conține mecanisme de coexistență necoordonată care utilizează o arhitectură de tip distribuit pentru managementul resurselor radio conținute de rețeaua 802.16 care conține o stație de bază și noduri subordonate acesteia. Stația de bază cuprinde o unitate de management distribuit a resurselor radio în care sunt realizate politicile de partajare a spectrului definite de standardul 802.16h. De asemenea, aceasta răspunde de construcția unei baze de date pentru partajarea informațiilor din utilizarea actuală, dar și de planurile viitoare de utilizare a spectrului radio.

Toate echipamentele trebuie recunoscute cu ajutorul unei semnături radio pentru a împiedica depășirea pragurilor de interferență impuse de standard. Toți emițătorii vor transmite această semnătură cu ajutorul unui slot temporal care nu va fi afectat de intereferențe. Pentru a identifica fiecare utilizator se va apela la poziția în timp a slotului.

Dacă o regiune are mai multe rețele secundare (cum sunt mecanismele de coexistență coordonată) acestea pot coopera pentru a putea coordona perioadele de transmisie și pentru a putea realiza relații de vecinătate. Pentru a putea realiza o astfel de colaborare, standardul 802.16h propune urătoarele mecanisme:

Sincronizarea la nivel de cadru MAC, inclusiv intervale pentru emisie și recepție, pentru separarea transmisiilor și permiterea operării în zone sincronizate;

Selecția dinamică a canalului (DCS) și selecția adaptivă a canalului (ACS) pentru a găsi frecvențe mai puțin utilizate sau care au un nivel de interferență mai scăzut;

Separarea în domeniul timp a interferențelor care nu pot fi evitate, prin folosirea unui cadru de coexistență, a unei programări coordonate și a unei abordări echilibrate, pentru a utiliza un canal de frecvență de către mai multe sisteme.

1.4. Standardul IEEE 802.11af

Un alt exemplu de standard este 802.11af, cu ajutorul căruia va fi permisă dezvoltarea rețelelor fără fir de tip 802.11 în benzile de frecvență libere utilizate în zona de spectru licențiată pentru transmisia de programe TV. În ciuda faptului că un astfel de sistem are bine stabilite cerințele solicitate, iar standardul recurge la elemente caracteristice tehnologiei radio cognitiv, nu se poate pune problema unui proces de standardizare finalizat.

Standardul 802.11af prevede trei tipuri de stații și anume fixe, dependente și de autorizare. Elementele cognitive ale acestui sistem sunt fezabile numai în cazul utilizării unor mecanisme care permit controlarea stațiilor dependente prin intermediul stației de autorizare.

Atât stațiile fixe, cât și cele de autorizare sunt înscrise și furnizează locația înregistrată. Prin stațiile de autorizare au sarcina de a activa și se a pune în funcțiune stațiile neînregistrate. De asemenea, acestea capătă informații relevante cu privire la canalele disponibile din baza de date care conține detalii despre canalele libere din benzile de TV (TVWS) și care emite semnalul de verificare a contactului (CVS). Acest semnal de verificare este utilizat la determinarea stațiilor dependente care se află în raza de acoperire a stației, dar și la controlarea listei cu canale disponibile.

Capitolul 2. Standardul 802.11h

2 .1. Generalități

Calculatoarele portabile și echipamentele de comunicație, ca de exemplu laptop-urile și device-urile portabile, au devenit din ce în ce mai populare, iar mulți oameni folosesc aceste dispozitive pentru diverse moduri de comunicare prin intermediul rețelelor fără fir. În viitor se urmărește realizarea unor rețele WLAN publice, de obicei cunoscute sub numele de hotspot-uri, în locuri publice cheie cum ar fi sălile de conferință, aeroporturi, cafenele, unde oamenii pot avea access la Internet oricând și oriunde. Potrivit rapoartelor făcute de DataMonitor.com, la sfârșitul anului 2003, erau în total 31.580 de hotspot-uri care deservesc 1.53 milioane de utilizatori în toată lumea și este așteptat ca numărul de hotspot-uri să fie de 4 ori mai mare în următorii ani.

O rețea wireless Wi-Fi WLAN este o rețea fără fir, extinsă pe distanțe limitate, în funcție de puterea și performanța echipamentelor folosite, prin care se poate face schimb de date folosind undele radio. Rețelele wireless au anumite avantaje față de rețelele tereste, ca de exemplu o rețea wireless poate fi realizată cu mult mai puține cheltuieli decât una tradițională pe cablu, un alt exemplu fiind acela că rețeaua devine mai valoarasă pe masură ce tot mai mulți oameni se pot conecta la ea, cum este și în cazul rețelei wireless.

Echipamentul care reprezintă componenta principală a unei rețele wireless se numește Punct de Acces. Acest echipament este un releu care emite și receptionează unde radio către dispozitivele din raza sa de acțiune.

Figura 2.1. Structura unei rețele wireless

Această rețea wireless are și anumite dezavantaje. Unul dintre acestea este acela că este mult mai expusă din punct de vedere al vulnerabilității la interceptări neautorizate decât o rețea terestră, oricine poate accesa o rețea wireless la nivel fizic, însă din fericire nu este suficient să ai acces la nivel fizic pentru a te putea conecta și folosi această rețea. În acest scop au fost create anumite modalități de criptare a informației pentru a face inaccesibilă interceptarea de informații de către intruși.

Rețelele wireless pot opera în două moduri: Ad-hoc și Infrastructură.

Modul Ad-hoc asigură conexiunea wireless directă dintre două calculatoare, fără comunicare cu rețeaua cablată. Funcționarea în acest mod permite doar transferul fișierelor între calculatoare. O rețea ad-hoc permite fiecărui echipament să comunice direct unul cu altul. Nu există punct de acces care să controleze comunicația între echipamente. Rețelele Ad-hoc nu sunt capabile să comunice cu niciun echipament în modul infrastructură sau orice echipament conectat la o rețea pe cablu, iar securitatea în acest mod este mult mai puțin sofisticată în comparație cu modul de rețea infrastructură.

Modul de rețea Infrastructură necesită utilizarea unui punct de acces. Acest echipament controlează comunicația Wireless și oferă câteva avantaje importante față de rețeaua Ad-hoc. De exemplu, o rețea de Infrastructură are viteze de trasmitere a datelor mai rapide.

2.2. Prezentare generală standard IEEE 802.11

Institutul IEEE 802.11 a început activitățile de standardizare în anul 1991, a publicat standardul inițial 802.11 în anul 1997 și l-a revizuit în anul 1999, care specifică protocoale atât pentru sub-layer-ul MAC (Medium Access Control) cât și pentru layer-ul PHY (Physical). În ultimii ani, grupul de lucru 802.11 a lucrat la standardizarea de noi specificații pentru a îmbunăți perfomanțele rețelelor wireless 802.11. În figura 2.2 este ilustrată relația dintre specificațiile existente și cele în curs de dezvoltare, fiecare săgeată specificând standardele originale și modificate. De exemplu, standardul 802.11e MAC este o îmbunătățire a standardului 802.11 MAC, iar 802.11h este o îmbunătăținere a ambelor standarde 802.11 MAC și 802.11 PHY.

Figura 2.2. Relația dintre specificațiile existente și cele în curs de dezvoltare

IEEE 802.11 este un set de specificații care lucrează la nivel fizic pentru implementarea unei rețele wireless care funcționează în benzile de frecvențe de 2.4, 3.6, 5 si 60 GHz. În 1985, Comisia Federală de Comunicații (FCC) a dereglementat spectrul 2.4 – 2.5 GHz pentru a fi folosit de comunitățile științifice, medicale și industriale. Prin urmare, acest spectru era valabil pentru aplicații individuale și nelicențiate. Dezvoltatorii de tehnologii wireless au fost încântați de această reglementare deoarece puteau să producă noi tehnologii fără a cheltui bani pe taxele de licențiere. La începutul anilor 1990, IEEE a realizat că este nevoie de o infrastructură de comunicații wireless standard care era necesară pentru a îndeplini cerințele pieței. Astfel s-a creat un comitet al cărui scop era găsirea unei soluții fiabile, rapide și ieftine pentru realizarea unei rețele wireless care ar putea să crească într-un standard cu acceptare pe scară largă, folosind banda reglementată de 2.4 – 2.5 GHz. Standardul original a fost adoptat în 1997 și este foarte diferit de standardul care există în ziua de azi. Rata de transfer a standardului din 1997 era de 2 Mbps.

O mare parte din standardele 802.11 sunt compatibile cu majoritatea rețelelor care folosesc standardul 802, în special rețelele Ethernet 802.3. Compatibilitatea s-a contruit pe doi piloni: compatibilitatea de nivel fizic și compatibilitatea la nivelul MAC. Separarea acestor nivele este foarte importantă, nu doar pentru punerea în aplicare a acestui standard, dar și pentru dezvoltarea sa.

Nivelul fizic are rolul de a permite captarea de semnal radio de la o stație de bază la alta. Semnalul radio are frecvența cuprinsă între 2.4 GHz și 2.483 GHz sau în spectrul infraroșu între 850-950 nm. Emițătoarele folosesc tehnica de modulație TDD, permițând atât uplink-ului cât și downlink-ului să folosească același canal de radio frecvență, folosind tehnica de modulație BPSK sau DQPSK.

Nivelul media acces (MAC) procesează semnalul provenit de la nivelul fizic în nivel de retea omniprezent. Acest nivel ajută și la sincronizarea, gestionarea energiei, fragmentarea cadrului și autenticare. De exemplu sincronizarea este facută între toate emițătoarele care folosesc balize transmise de către punctul de acces. Într-o rețea ad-hoc, responsabilitatea de sincronizare este facută de toți membrii independent, creând astfel o subrețea de sincronizare.

În standardul din 1997 nu era specificat spectrul de 5 GHz. Standardul original era axat pe exploaratea spectrului reglementat și spectrului de infraroșu cunoscut.

În loc de un singur standard, există un întreg alfabet de variante wireless din care utilizatorii pot alege.

Figura 2.3. Prezentare generală a standardelor 802.11 existente

802.11b – A fost ratificat de IEE în 16 septembrie 1999 și este cel mai popular protocol de rețea wireless utilizat în prezent. Folosește tipul de modulație DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Operează în baza de frecvențe ISM și nu sunt necesare licențe atâta timp cât se utilizează aparatura standardizată. Limitările sunt: puterea la ieșire de până la 1 watt, iar modulațiile să fie numai de tipul celor care au dispersia spectrului cuprinsă între 2.412 GHz și 2.484 GHz. Are o viteză maximă de 11 Mbps cu viteze utilizate în prezent de aproximativ 5 Mbps

802.11g – A fost ratificat în iunie 2003. În ciuda startului întarziat, acest protocol este implementat practic pe toate laptop-urile care au placă wireless și pe toate dispozitivele portabile. Folosește aceeași subbanda de frecvențe din bana ISM (Industrie, Stiința, Medicina), dar utilizează tipul de modulație OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Viteza de transfer maximă a datelor este de 54 Mbps, cu implementări practice de 25 Mbps. Viteza poate coborî până la 11 Mbps sau chiar valori mai mici, trecând la tipul de modulație DSSS, pentru a se realiza compabilitatea cu mult mai popularul protocol 802.11b.

802.11a – A fost ratificat de IEE în 16 septembrie 1999. Utilizează tipul de modulație OFDM. Are o viteză maximă de 54 Mbps cu implementări de până la 27 Mbps. Operează în banda de frecvențe 5.745 GHz și 5.805 GHz și în banda UNII (Unlicensed National Information Infrastructure) 5.170 Ghz și 5.320 GHz. Acest lucru îl face incompatibil cu 802.11b sau 802.11g. Frecvenței utilizate mai mari îi corespunde o bătaie mai mică la aceeași putere de ieșire și cu toate că în subgamele utilizate spectrul de frecvențe este mai liber în comparație cu cel din jurul frecvenței de 2.4 GHz, în unele zone din lume, folosirea acestor frecvențe nu este legală, de aceea echipamentele cu protocolul 802.11a, cu toate că sunt ieftine, nu sunt nici pe departe la fel de populare ca cele cu 802.11b/g.

802.11n – Este un standard care îmbunătățește standardele precendente 802.11 prin adăugarea mai multor antene. El operează în ambele benzi de frecvență de 2.4 GHz și 5 Ghz, suportul în baza de 5 GHz fiind optional. Are o viteză de transfer a datelor între 54 Mbps și 600 Mbps.

802.11h – Cele mai importante functionalități ale acestui standard este selectarea dinamică a frecvenței și puterea variabilă a transmițătorului, pe care ETSI (European Telecomunications Standards Institute) o mandatează pentru piața europeană pentru a se asigura că sistemele au o putere a transmițătorului rezonabilă.

802.11c – Specifică metode de wireless bridging, metode de conectare a unor tipuri diferite de rețele prin mijloace wireless.

802.11d – Este numit și “World Mode”. Se referă la diferențele regionale dintre tehnologii, de exemplu cât de multe și care sunt canalele disponibile pentru utilizare și în care regiune a lumii. Ca utilizator, trebuie doar să numiți țara în care doriți să folosiți placa wireless și driverul se va ocupa de restul funcțiilor.

802.11e – Definește calitatea servicilor și extensiile de streaming pentru 802.11a/h și g. Scopul este de a îmbunătăți rețele de 54 Mbps pentru aplicații multimedia și voice over IP (VoIP), telefonie prin rețele IP și internet. Pentru a putea fi utilizate aplicații de multimedia și voce, rețeaua trebuie să suporte ratele garantate pentru fiecare serviciu, cu întârzieri minime de propagare.

802.11f – Descrie metodele de schimbare a standarului Roaming între punctele de acces.

802.11i – Este un standard de securitate conceput pentru a soluționa probleme de Securitate existente până în acel moment. Principalele functionalități sunt: autentificarea IEE 802.1x, cu extensible authentification protocol (EAP), Radius și Kerberos, precum și criptarea bazată pe algoritmul Rijndael AES.

În cazul în care nu este configurat un WLAN complet nou, va trebui probabil să se acorde atenție compatibilității cu device-urile 802.11b existente.

Device-urile 802.11b și 802.11g folosesc aceeași frecvență, aceeași tehnică de modulație și același domeniu, așadar operațiile mixte nu sunt o problemă. Însă compatibilitatea afectează performanța: dacă o singură componentă 11b se asociază cu o rețea 11g, rata sistemului scade imediat de la 54 Mbps la 11 Mbps. Operațiile mixte cu componente 802.11b și g, dar și cu device-uri 11g mai noi și mai vechi, pot cauza unele probleme. Standardul de securitate WLAN 802.11i nu a fost introdus până în vara anului 2004. Rețelele wireless mai vechi suportă, de obicei, doar metoda WEP și necesită o protejare suplimentară a rețelei, cu ajutorul tehnologiilor VPN. Unii producători de device-uri care suportă un subset al 802.11i WPA oferă upgrade-uri firmware la 802.11i/ WPA2.

Așa-numitele produse Dual-Band/Triple-Mode ajută la evitarea problemelor de compatibilitate chiar de la inceput. Aceste sisteme suportă operațiuni în banda de 2.4 și 5 GHz și toate cele trei tehnologii de bază: 802.11a, 802.11b și 802.11g. Din punct de vedere al unei tehnologii radio, nu există obstacole pentru interoperarea cu altă componentă WLAN. Wi-Fi Alliance a introdus eticheta “Wi-Fi certified” pentru a asigura interoperarea fără probleme între sisteme LAN de la producători diferiți. Înainte de a primi această aprobare, produsele trebuie să își probeze conformitatea cu standardele curente, prin intermediul unei suite de teste, și să își demonstreze interoperabilitatea cu device-uri de la alti producători. Wi-Fi Alliance acordă această certificare sistemelor 2.4 GHz cu viteze de 11 și 54 Mbps și sistemelor 54 Mbps 5 GHz pentru WPA, WPA2 și WMM.

WMM înseamnă Wi-Fi Multimedia și semnalează conformitatea cu 802.11e.

În WLAN unitatea adresabilă este o stație (STA), destinație a mesajului și care, în

general, nu este o locație fixă. Nivelul fizic este diferit față de cel al rețelelor cu fire:

– utilizează un mediu de transmisiune care nu are margini absolute, dincolo de care tranceiverele n-ar fi capabile să recepționeze;

– nu este protejat împotriva unor semnale externe;

– comunicația se desfășoară pe un mediu mult mai puțin fiabil decât cel cu fire;

– are topologii dinamice;

– lipsa unei conectivitati totale (nu orice statie poate "auzi" oricare alta statie);

– are proprietăți de propagare variabile în timp și asimetrice.

Standardul IEEE 802.11 permite interoperabilitatea sistemelor WLAN, acestea putând fi interconectate cu rețele de tipul IEEE 802.3 (Ethernet) sau IEEE 802.5 (token-ring).

Elementul de bază este celula acoperită de un echipament similar stației de bază din comunicațiile mobile numită, aici, Punct de Acces (AP – Acces Point).

Figura 2.4: Acoperirea cu semnal de la un Access Point

DSS = Digital Spread Spectrum

Raza de acțiune a fiecărui punct de acces radio determină o celula sau în termenii IEEE 802.11 un BSS (Basic Service Set).

Mai multe celule sunt conectate între ele, printr-o rețea de distribuție, realizată de obicei prin cablu, formând un ESS (Extended Service Set) sau un domeniu.

În acest domeniu un calculator mobil (un client) se poate deplasa de la o celulă la alta fără a pierde conexiunea cu rețeaua. Aceasta este semnificația termenului de roaming.

În acest scop stația mobila:

• va monitoriza permanent calitatea legăturii cu celula folosită;

• va începe căutarea de noi celule atunci când calitatea comunicației scade sub un prag prestabilit;

• va folosi un ID diferit în fiecare celulă, acesta fiind impus de către sistem;

Arhitectura logică a rețelei IEEE 802.11 este prezentată în figura următoare:

Figura 2.5. Arhitectura IEEE 802.11[7]

Subnivelul MAC utilizează procedura CSMA (Carrier Sense Multiple Access), ca și în Ethernet, dar, fiind dificil de detectat coliziunile într-un mediu wireless, în rețelele IEEE 802.11 se implementează evitarea coliziunilor – collision avoidance (CSMA/CA) și nu detectarea lor. Dat fiind zgomotul mai important în mediul de transmisie wireless și efectele de propagare multicale și de interferență, în mecanismul de acces de bază se utilizează procedeul confirmării cadrelor transmise. Dacă un cadru de confirmare (ACK) nu este recepționat într-un anumit interval de timp, cadrul neconfirmat va fi retransmis.

Pentru controlul accesului stațiilor la mediul de transmisiune subnivelul MAC oferă două tipuri de servicii, unul cu contenție (dispută), celălalt fără contenție, realizate fiecare prin intermediul al câtei unei funcții de coordonare:

funcția de coordonare distribuită (DCF – Distributed coordination function)

funcția de coordonare punctuală (PCF – Point coordonation function).

Subnivelul MAC este responsabil pentru:

• procedurile de alocare a canalului,

• adresarea unităților de date de protocol (PDU);

• formarea cadrelor, controlul erorilor;

• fragmentarea și reasamblarea.

Mediul de transmisiune poate opera în două moduri:

• modul concurențial CP (contend period), când stațiile își dispută accesul la canal pentru fiecare pachet transmis, sau

• modul neconcurențial CFP, când utilizarea mediului este controlată de AP.

Figura 2.6. Arhitectura MAC

Metoda de bază pentru controlul accesului este DCF, care implementează un protocol CSMA/CA (Carrier sense multiple access with collision avoidance – Acces multiplu cu percepția purtătorului și evitarea coliziunilor), cu revenire după o lege binară exponențială (binary exponential backoff). Această metodă trebuie implementată în toate tipurile de stații, din IBSS sau din rețeaua de infrastructură.

O stație care are de transmis cadre MAC trebuie să asculte mai intâi mediul de transmisiune. Dacă mediul este liber poate transmite. Algoritmul distribuit CSMA/CA impune însă un interval minim, specificat, liber între secvențele de cadre succesive, astfel încât stația transmițătoare trebuie să se asigure ca mediul de transmisiune este liber pentru acest interval de timp inainte de a incerca să transmită. Dacă mediul de transmisiune este ocupat, stația va amâna încercarea de a transmite până când mediul devine liber. După ce mediul devine liber sau înainte de a încerca să transmită imediat după o transmisiune reușită, stația trebuie să aleagă un interval de revenire aleator și trebuie să decrementeze contorul intervalului de revenire în timp ce mediul este liber.

Mecanismul CSMA/CA impune un interval liber (pauza) între transmisiunile de cadre succesive. O stație care utilizează DCF trebuie să respecte două reguli de acces la mediul de transmisiune: (1) stația va putea transmite numai dacă mecanismul ei de percepere a purtătorului determină că mediul a fost liber pentru cel puțin un interval de timp numit DIFS (Distributed InterFrame Space – Spațiu distribuit între cadre) și (2), pentru a reduce probabilitatea de coliziune cu alte stații care accesează mediul, stația va selecta un interval de revenire (backoff) cu care amână încercarea de transmisiune, după ce mediul a fost găsit ocupat sau înainte de a încerca să transmită un alt cadru după o transmisiune reușită.

O caracteristică importantă a subnivelului MAC IEEE 802.11 este aceea că recepția reusită a unui cadru este confirmată printr-un cadru ACK, astfel încât o stație va considera transmisiunea unui cadru ca fiind reușită numai după ce primește cadrul ACK. Dacă nu primește cadrul ACK într-un interval de timp limitat transmițătorul va încerca să retransmită cadrul.

Figura 2.8 prezintă situații posibile la încercarea de transmitere a unui cadru. Cadrele recepționate eronat sunt marcate cu linii încrucișate.

Figura 2.7. Transmiterea cadrelor prin DCF

a) reușită;

b) retransmisie datorită eronării cadrului ACK;

c) retransmisie datorită recepției eronate a cadrului;

Intervalul între cadre scurt (SIFS – Short InterFrame Space), mai mic decât DIFS, este intervalul de timp între recepția unui cadru de date și transmisia cadrului ACK corespunzător (Fig. 7 a). Utilizarea acestei pauze mici în schimbul de cadre previne ca alte stații care așteaptă un interval de timp mai mare (DIFS) după eliberarea mediului de transmisiune să încerce să transmită, asigurând prioritate pentru încheierea schimbului de cadre în desfășurare.

Dacă un cadru de confirmare este recepționat eronat (cu un CRC incorect), transmițătorul va încerca retransmiterea cadrului de date după un timp EIFS (Extended InterFrame Space – Fig. 7 b).

Dacă nu se recepționează cadrul de confirmare într-un anumit interval de timp (Timeout ACK) se va încerca retransmiterea cadrului (Fig. 7 c).

2.3. Prezentare generală standard IEE 802.11h

În rețelele WLAN actuale, fiecare utilizator scanează canalul wireless pentru a detecta punctele sale de acces din apropiere (AP) și să se asocieze cu un punct de acces care are indicatorul de semnal recepționat (RSSI) cel mai puternic. Astfel, este de așteptat ca un utilizator să se asocieze cu cel mai apropiat / puternic AP. Studii recente au arătat că această abordare simplă de asociere conduce la asocierea ineficientă a stațiilor între punctele de acces disponibile.

Standardul 802.11h a fost dezvoltat cu scopul de a extinde domeniul de operare al 802.11 în banda de 5 GHz din Europa. Pentru funcționarea concomitentă a utilizatorilor primari din banda de 5 GHz din Europa și a sistemelor radar/sistemelor de sateliți, device-urile WLAN care folosesc banda de 5 GHz trebuie să suporte următoarele caracteristici:

selectarea dinamică a frecvenței: DFS ( Dynamic Frequency Selection )

controlul asupra puterii de transmisie: TPC ( Transport Power Control )

De exemplu, device-urile WLAN sunt nevoite să schimbe canalul de comunicație operațional cu un altul atunci când un semnal radar este detectat pe canalul de comunicație operațional. Atunci când un semnal emis de un satelit este detectat , device-urile folosesc puterea de transmisiune maximă din care se scad 3 db în timp ce în ce mod normal s-ar utiliza puterea maximă de transmisie. Standardul 802.11h definește mecanismele DFS și TPC. Acest standard a fost dezvoltat pentru a satisface reglementările din Europa, dar el poate fi folosit și în alte țări în multe scopuri ca de exemplu planificarea automată a frecvențelor, reducerea energiei consumate, reducerea numărului de interfețe folosite.

Cel mai important dezavantaj este că RSSI nu oferă nici o informație cu privire la condițiile de uplink și downlink (legături ascendente și descendente). De fapt, în implementarea actualului standard 802.11, nivelul puterii de transmisie al punctului de acces este necunoscut, de către stații. Astfel, un punct de acces îndepărtat, cu putere mare de transmisie poate avea un RSSI mai mare decât un punct de acces mai apropiat, dar care are o putere de transmisie mai mică.

Odată cu apariția funcției de coordonare punctuală (PCF), calitatea serviciilor (QoS) a devenit mai importantă în rețele WLAN.

Calitatea QoS percepută depinde nu numai de calitatea semnalului ci mai mult, de rata combinată ascendentă și descendentă livrată utilizatorului.

Între timp, ratele ascendentă și descendentă depind de nivelul de interferență observate la punctul de acces și de locațiile utilizatorului, precum și de nivelurile de putere de transmisie corespunzătoare. În cele din urmă, interferența în modul PCF apare ca urmare a transmiterii în curs de desfășurare prin celulele adiacente, precum și prin dispozitive de radio externe (cum ar fi radar, HyperLan, aparate, etc).

O decizie de asociere, care să ia în considerare toți acești factori poate oferi în mod clar utilizatorilor un grad mai mare de satisfacție.

În figura 2.8 este ilustrat modelul de management al layer in standardul 802.11h pentru a se putea realiza funcțiile DFS și TPC. Schimbarea canalului și controlul puterii de transmisie sunt asociate SME-ului, iar protocoalele utilizate sunt întâlnite în MLME. Interacțiunea dintre cele 2 entități este făcut prin intermediul SAPs. [7]

Figura 2.8. Model de management al layerului în standardul 802.11h

Atât DFS cât și TPC sunt implementate după anumiți algoritmi. De exemplu, un algoritm TPC este nevoit să determine nivelul puterii de transmisie a unui cadru de transmisie. Standardul 802.11h definește mecanisme/protocoale care asigură o decizie corectă a nivelui de putere, nu la punerea în aplicare în sine.

2.4. DFS ( Selectarea dinamică a frecvenței )

BSS ( Basic Service Set ) este o componenta de bază a unei rețele wireless 802.11 și constă într-un set de posturi controlate de o singură funcție de coordonare și operare pe același canal de frecvență. Un BSS 802.11a/h ocupă un canal cu o bandă de 20 Mhz și există 12 canale disponibile pentru 802.11a în America și 19 canale disponibile pentru 802.11h în Europa. DFS este folosit pentru a comuta dinamic de pe canalul de frecvență de funcționare a unui BSS pe altul. În afară de îndeplinirea cerințelor de reglementare, pot exista și alte motive pentru care BSS poate schimba canalul de frecvență operațional. Un exemplu interesant este acela când starea canalului curent este nesatisfăcătoare datorită interferențelor device-urilor vecine. În acest context, DFS poate fi folosit pentru a spori funcționalitatea QoS în rețelele wireless.

În infrastructura unui BSS, care constă într-un AP (Access Point) și multiple stații asociate unui AP, AP-ul este cel care determină când canalul de comunicație trebuie schimbat și cu ce canal trebuie înlocuit. În acest scop, AP-ul trebuie să monitorizeze statusul canalelor de frecvență utilizate și cele neutilizate și să poată comunica cu alte stații pentru a afla statusul canalelor de frecvență. Există trei metode de măsurare:

Modul de bază determină dacă un alt BSS, un semnal neidentificat sau un semnal radar este detectat în canalul de masură;

Modul CCA măsoară durata în care canalul este ocupat în timpul intervalului de măsurare totală;

Pe baza propriei măsurării, dar și pe cele provenite de la stațiile asociate, AP continuă să monitorizeze starea canalului, astfel încât comutarea să se poată face la momentul potrivit. Comutarea canalului are loc înaintea TBBT-ului ( Target Beacon Transmission Time ), care este specificat de AP, astfel încat o operație de comunicație normală poate fi realizată pentru următorul interval Beacon la noul canal de frecvență de funcționare. Regulamentul European mențioanează că stația trebuie să-și oprească emisia atunci când un sistem radar este detectat pe canalul de frecvență operațional.

Într-un BSS indepedent, care constă în mai multe stații dar fără un AP, un protocol similar este definit pentru operațiile DFS. Practic, într-o astfel de rețea, stația wireless care a inițiat BSS-ul este numită deținătorul DFS, și are responsabilitatea de a colecta statusul canalului și de a decide când se face comutarea canalului.

Testarea canalului se face prin oprirea transmisiilor din rețea, măsurarea interferențelor potențiale și dacă este necesar, prin specificarea canalului pe care va fi schimbat.

Canalele prezente în banda de 5 GHz:

5150 MHz – 5350 MHz – 8 canale valabile

5470 MHz – 5725 MHz – 11 canale valabile

Principala problemă este aceea că în aceste benzi, conform reglementărilor radio ITU, operează MSS ( 5150 MHz – 5250 MHz ) și dispozitivele radar ( 5300 MHz – 5900 MHz ).

Figura 2.9. Canalele aferente DFS

2.4.1. Intervalele de „liniște”

Pentru a testa canale radio, este folosit așa numitul mecanism „intervale de liniște”. „Intervalul de liniște” reprezintă o perioadă de timp în care toate stațiile din BSS nu transmit, iar el este folosit pentru a măsura potențialele interferențe care pot apărea de la un sistem radar. „Perioadele de liniște” sunt programate prin introducerea elementului informații Beacon și Cadre de răspuns, care descriu când și cât de mult pot întrerupe transmisiile stațiile. Atunci când sunt transmise mai multe elemente de informare ale „intervalului de liniște”, cel mai recent înlocuiește „perioadele de liniște” programate anterior.

În „perioada de liniște” toate stațiile setează vectorul de alocare în rețea la lungimea „perioadei de liniște” pentru a se asigura că algoritmul de detecție virtual va amâna transmisiile. Atunci când un „interval de liniște” viitor este programat, canalul radio încă funcționează în conformitate cu normele obișnuite de acces la mediul radio, cu regula suplimentară că orice schimb de cadru trebuie să se efectueze înainte de începerea „perioadei de liniște”.

În cazul în care un schimb de cadru nu poate fi finalizat, stația renunță la funcția de control al canalului de transmisie și amână până după încheierea „perioadei de liniște”. Imposibilitatea de a transmite un cadru ca urmare a unei perioade liniștite nu este iminentă, cu toate acestea, crește numărul de transmisii. Într-o infrastructură de rețea, programarea „perioadei de liniște” este o sarcină a AP-ului. AP-urile pot schimba durata acestor intervale, timpul dintre acestea sau chiar opri programarea „perioadelor de liniște”. Pentru rețelele independente programarea „intervalelelor de liniște” se face atunci când este creată rețeaua. Când o stație nouă preia responsabilitatea pentru trimiterea cadrului Beacon și Probe de răspuns, ea nu poate modifica parametrii „perioadei de liniște”, ci copiază parametrii utilizați anterior.

2.4.2. Măsurarea potențialelor interferențe

Se pot lua măsurători în orice moment al canalului radio. Stațiile pot solicita măsurători de la celelalte stații prezente în rețea. Măsurătorile pot fi luate chiar și în timpul „intervalului de liniște” și în timp ce canalul radio este utilizat. Cererile de informații despre canalul radio sunt trimise în cadre numite cereri de măsurare. Într-o infrastructură de rețea, toate cadrele trebuie să treacă prin AP. Stațiile client asociate pot solicita numai AP-ului informații despre canalul radio. AP-urile într-o rețea pot cere informații de la o singură stație sau de la un grup de stații, prin adresarea cadrului de cerere corespunzător.

În rețelele independente, nu există nici un punct centralizat de control, orice stație poate emite o cerere către o singură stație sau un grup de stații. După ce a fost trimisă o cerere de măsurare, standardul presupune ca receptorul să își ia un anumit timp pentru a aduna toate datele pentru a trimite răspunsul său. La primirea unei cereri de măsurare, o stație trebuie să determine cum să raspundă. Cadrul cerere de măsurare trebuie să aibă întotdeauna un răspuns, chiar dacă răspunsul este un refuz de a efectua măsuratorile solicitate. Pentru a fi procesată, o cerere trebuie să fie primită în timp suficient pentru a se putea face configurarea și să se determine măsuratorile. În cazul în care o cerere este ținută într-o coadă de transmisiune, este de dorit ca aceasta să ajungă la destinație după ce măsurarea solicitată ar trebui să înceapă. Stațiile pot ignora astfel de cereri „târzii”. Stația care primește cererea de măsurare trebuie să fie în măsură să colecteze datele cerute. În funcție de construcția hardware a receptorului, acesta poate fi capabil să răspundă sau nu cererilor de măsurare.

2.4.3. Scanarea pentru detectarea prezenței sistemelor radar

Unul din motivele pentru care se utilizează „intervalele de liniște” este de a detecta prezența sistemelor radar în banda de 5 GHz. Nu există o metodă specială de detecție a acestor sisteme. Este nevoie ca radarul să fie detectat cand puterea semnalului crește peste un anumit prag de interferențe definit.

Când o interfață radio își începe funcționarea, ea trebuie să verifice dacă pe același canal există un semnal radar. Nicio transmisiune nu este permisă până când nu este sigur faptul că pe canalul radio nu există un semnal de radar cu care se poate interfera. Detecția sistemelor radar trebuie efectuată periodic pe parcusul funcționării. Oricând un semnal de radar este detectat, rețeaua trebuie să comute pe un alt canal pentru a fi prevenite interferențele.

Serviciul de gestionare a spectrului de frecvențe permite ca rețeaua să poată comuta pe un alt canal. Decizia de schimbare a canalului radio este cauzată de interferență cu echipamentul radar, dar mecanismul de comutare a canalului poate fi util pentru o varietate de alte scopuri, pe lângă respectarea reglementarilor radio europene. Rețelele capabile să modifice canalul lor operațional pot face acest lucru pentru a preveni interferența cu alte echipamente 802.11 și pentru optimizarea planului radio. Comutarea de canal este concepută astfel încât să se poată comuta cât mai multe stații asociate pe noul canal, dar este posibil ca unele comunicații din aceste stații să fie perturbate. Standardul nu constrânge modul în care se efectuează alegerea noului canal, ci spune că un AP ar trebui să încerce să aleagă un canal care poate susține cât mai multe stații, asociate AP-ului respectiv, posibile.

În infrastructura unei rețele, operația de selectare a canalului radio este sub controlul AP-ului. Ca parte a procesului de asociere, AP-urile colectează informații despre canalele care sunt suportate de stațiile asociate. AP-ul informează aceste stații de procesul de comutare folosind cadrele numite „canale de anunțare a comutării”, precum și așa numitele „cadre de acțiune”. Pentru a îmbunătăți capacitatea unui AP de a trimite anunțul de comutare pe un alt canal, cadrul de acțiune apropiat trebuie trimis după PCF Interframe Space, care ii conferă o prioritate mai mare.

Cadrele de acțiune sunt folosite pentru a cere unui stații să ia măsuri în numele alteia. Serviciile de gestionare a spectrului pot folosi cadre de acțiune pentru a solicita măsurători, pentru a aduna rezultatele acestor măsurători și să anunțe toate comutările de canal dorite. Figura 2.11 arată formatul cadrului de acțiune.

Câmpul „Category” – este setat la zero pentru gestionarea spectrului;

Câmpul „Action” – toate cadrele de gestionare a spectrului utilizează primul octet pentru a specifica tipul de acțiune întreprinsă. Acțiunile care pot fi luate și valorile lor sunt prezentate în următorul tabel:

Câmpul „Elements” – cadrele de acțiune de gestionare a spectrului de frecvențe transportă informații în elemente de informare.

Figura 2.10. Cadru de acțiune

Există trei tipuri de radare care operează în același spectru de radio frecvență:

radare civile și maritime: sunt folosite de nave, și ca atare sunt întâlnite de obicei în apropierea căilor navigabile. Sunt utilizate pentru evitarea coliziunilor, pentru a urmări și pentru a ghida nave. Sunt radare cu raza scurtă spre medie care au nivel de putere cuprins între 10-50 kW.

radare meteorologice: sunt folosite pentru a localiza precipitațiile, mișcarea furtunilor și de a prognoza vremea în general. Aceste radare sunt prezente în întreaga lume. Cel mai comun radar folosit pentru această aplicație este radarul Doppler. Nivelurile de putere realizate pot varia de la 100 kW la 230 kW, cu câștiguri de antenă de până la 45 dBi.

radare militare: în general sunt cunoscute foarte puține detalii despre aceste radare din cauza unor considerente de securitate națională.

2.4.4. Modul de funcționare a unui BSS indepedent

Schimbarea canalului într-o rețea independentă este mult mai complicată decât într-o rețea cu infrastructură, deoarece nu există controler logic care poate controla selectarea frecvenței. Rețelele independente au un serviciu proprietar DFS, care coordonează mai multe stații pentru a executa serviciul de selecție a frecvenței.

O stație este desemnată deținătoarea serviciului DFS. Ea este responsabilă pentru colectarea rapoartelor de măsurare și monitorizare a detecției de semnal radar. În cazul în care orice stație dintr-o rețea indepedentă, observă prezența unui semnal radar, se va transmite un raport către DFS, iar apoi acesta va lua decizia de schimbare a canalului radio.

Stația proprietară DFS este responsabilă și pentru decizia de alegere a noului canal și transmiterea cadrului „anunț de schimbare a canalului”. Rețelele independente nu au un punct central de colectare a datelor, astfel încat, chiar dacă există un canal radio suportat de toate stațiile, nu există nicio garanție că stația proprietară DFS va cunoaște acest detaliu.

Într-o rețea independentă stația proprietară DFS se poate schimba. Stațiile se pot alătura sau pot părăsi rețeaua, inclusiv stația care deține serviciul DFS. În cazul în care o stație deținătoare DFS părăsește rețeaua, toate celelalte stații rămase în rețea intră într-un mod de recuparare a serviciului DFS. În acest mod, este posibil ca mai multe stații să dețină acest serviciu, dar prima stație care va transmite cadrul de comutare a canalului va fi cu adevarat stație proprietară DFS.

2.5. TPC ( Controlul puterii de transmisiune)

Pentru sistemele celulare, cum ar fi IS-95 CDMA (Code – Division Multiple Access) și 3G W-CDMA (Third Generation Wide-Band CDMA), mecanismul TPC este foarte important, în scopul de a ameliora problema apropiere – depărtare pentru transmisiunea uplink a CDMA, minimizarea interferențelor apărute de la alte celule și îmbunătățirea performanțelor canalelor fadding prin compensarea golurilor de fadding. Pentru echipamentele 802.11 care folosesc o putere de transmisiune fixă pentru cadrul de transmisiune, TPC nu a avut o importanță atât de mare ca și în cazul sistemelor CDMA.

În ultimii ani, mecanismul TPC în rețelele wireless 802.11 a atras din ce in ce mai mult atenția deoarece device-urile care suportă standardul 802.11a trebuie să suporte tehnologia TPC pentru a putea opera în Europa și pentru a întruni cerințele de reglementare. Mai mult decât atât, aproape toate device-urile wireless ca de exemplu laptop-urile, sunt alimentate de o baterie, iar tehnologia TPC ajută la mărirea timpului de funcționare a acestor dispozitive. În rețelele wireless cu multe celule, întâlnite deseori în birouri sau locuri publice, reducerea interferențelor cu ajutorul tehnologiei TPC poate fi providențială pentru îmbunătățirea performanțelor în zona dată.

Standardul 802.11h specifică două funcții ale TPC-ului. În primul rând, AP-ul într-o infrastructură BSS ia decizia asupra nivelului maxim de putere de transmisiune. Stațiile BSS pot utiliza orice putere de transmisie mai mică sau egală cu valoarea maximă locală. În al doilea rând, 802.11h prevede un mecanism de raport pentru puterea de transmisie. Acesta definește un element de raport TPC care conține un câmp al puterii transmise și un link de margine, unde elementul de raport TPC este inclus într-un cadru raport TPC ca raspuns la o cerere de cadru TPC. Câmpul „putere de transmisie” conține puterea de transmisie folosită pentru a transmite cadrul ce are în componență elementele de raport TPC, câmpul „link de margine” conține link-ul de margine calculat ca raportul dintre puterea semnalului recepționat care corespunde cadrului de cerere TPC și minimul dorit de stație. În plus, AP-ul într-o infrastructură BSS include în mod automat un element de raport TPC cu câmpul link de margine setat la zero și care conține informații despre puterea de transmisie.

În algoritmul de infrastructură, este introdus conceptul de proprietar TPC. Acesta este un post central, și anume, unul din punctele de acces care este conectat la punctele de acces din vecinătate într-o structură cablată.

Proprietarul TPC declanșează periodic toate punctele de acces în interiorul rețelei pentru a solicita măsurători de interferență de la terminalele asociate care raportează rezultatele măsurătorilor înapoi la proprietarul TPC. Pe baza datelor de măsurare, proprietarul TPC calculează noua putere TX pentru fiecare dintre terminalele mobile și retransmite rezultatele la fiecare terminal.

Pentru calcul, matricea G (Câștigul Link-ului) este considerată, conținând toate atenuările de semnal Gij între un expeditor i și un receptor j.

Cazul i = j identifică perechi de câte un expeditor și un receptor care rulează o comunicare, ca de exemplu un punct de acces și un terminal asociat, astfel încât semnalul recepționat este goodput.

Cazul i ≠j identifică interferență între stațiile între care comunicarea nu se desfășoară.

Valorile Gij sunt normalizate prin împărțirea lor la câștigul Gii al link-ului care transportă datele goodput:

C / Ii observate la borna i includ zgomotul Ni, care este, de asemenea normalizat:

Cu Pi fiind puterea de transmisie la stația i, valorile C / Ii pot fi apoi calculate după cum urmează:

Din C / Ii, proprietarul TPC determină puterea TX pentru fiecare stație care este utilizat pentru următoarea, adică a (n + 1)-a iterație a algoritmului. Datorită semnalului supraîncărcat, un compromis adecvat pentru reajustarea frecvenței puterii trebuie să fie găsit.

O frecvență ridicată determină sistemul să se adapteze rapid la condițiile de schimbare, de exemplu, ca urmare a mobilității; cu toate acestea, ca urmare a unui semnal supraîncărcat, performanța rețelei poate fi redusă.

O frecvență joasă minimizează această supraîncărcare, dar sistemul nu poate ajusta puterile în mod adecvat, în conformitate cu condițiile curente ale canalului.

P(0) este o valoare de pornire, care este specificat în mod arbitrar. Valoarea optimă pentru ß trebuie să fie găsit prin experimente de simulare.

Un impact imediat al mecanismului de raport al puterii de transmisie este acela ca în rețelele wireless 802.11h cadrul de transmisie eficiență energetică devine posibil. În general, pentru a determina nivelul puterii de transmisie corect pentru un cadru dat, o stație wireless este nevoită să estimeze calitatea link-ului dintre aceasta și cel care primește semnalul transmis. În 802.11h există o schemă a unei estimări simple a calității link-ului. Aceasta lucrează astfel: ori de cate ori o stație wireless primește un cadru care conține un element de raport TPC cu informații despre puterea semnalului recepționat prin RSSI (Received Signal Strength Indicator), precum și informații despre puterea de transmie, stația wireless poate estima calitatea link-ului. Pe baza estimării calității link-ului s-a dezvoltat un mecanism inteligent TPC, numit Misery.

2.5.1. Mecanismul Misery

În conformitate cu standardul 802.11, un dispozitiv wireless poate opera în următoarele moduri: modul de transmisie, modul de recepție, modul inactiv sau modul de stand-by. Se consumă cea mai multă putere în modul de transmisie și foarte puțină în modul de stand-by. În modul inactiv este consumată aceeași putere ca și în modul de recepție. Multe politici de gestionare a puterii au fost propuse pentru a forța device-urile wireless să folosească modul stand-by în momentele potrivite pentru a fi salvată energia bateriei. O altă metodă de a păstra energia bateriei este de a aplica algoritmul TPC în sistemele WLAN, algoritm ce permite utilizarea nivelului minim de putere în modul de transmisie.

O stație wireless care suportă standardul 802.11h poate estima calitatea link-ului dintre ea și receptor, prin urmare este capabilă să aplice inteligent algoritmul TPC pentru a minimiza consumul de energie folosit pentru comunicare.

Mecanismul Miser folosește o metodă simplă pentru a determina cea mai eficientă combinație dintre rata de transmisie și puterea de transmisie pentru fiecare cadru. Ideea de bază este aceea ca o stație wireless calculează offline o tabelă indexat de statusul transmisiei de date, fiecare intrare în tabela reprezentând combinația rata-putere optimală pentru a maximiza eficiența energetică în funcție de statusul transmisiei de date corespunzătoare.

2.5.2. Algoritmul Ad-hoc

Algoritmul funcționează pe bază de link-by-link, ceea ce înseamnă că nu este nevoie de nici o stație centrală; puterea de transmisie este reglată între stații învecinate, care sunt conectate printr-o legătură directă. Algoritmul ad-hoc discutat se bazează pe un controlor fuzzy.

Algoritmii fuzzy sunt în special utili, în cazul în care sistemul ce trebuie controlat este non-determinist, cum este cazul pentru un canal radio datorită unei interferențe neprevăzute cu rețelele vecine. Ambiguitatea se aplică astfel încât nu există limite clare pentru a clasifica parametrii de măsurare cum ar fi calitatea canalului, ca fiind bună sau rea, sau să considere sarcina de canal ca fiind mare sau mică.

În schimb, granițele dintre clasificări sunt neclare, ceea ce înseamnă că apartenența la o anumită clasificare este determinată de un factor de ponderare între 0 și 1.

Un exemplu este prezentat în figura 11, în care valorile C / I ale canalului sunt clasificate în funcție de calitatea canalului în trei categorii cu atributele rău, mediu sau mare.

Receptorul de semnal evaluează calitatea semnalului (C / I) bazat pe un sistem de control fuzzy. Apoi receptorul raportează decizia sistemului de control înapoi la expeditor, de exemplu cu cât ar trebui expeditorul să crească sau să reducă puterea de transmisie.

Algoritmul este implementat ca un utilaj de stare finită care se schimbă între etapele din timpul procesului de control în curs de desfășurare:

• Când se pornește algoritmul de control, începe în starea de inițializare în care fiecare stație transmite cu puteri depline. Sarcina medie a încărcăturii de date a expeditorului și C / I într-un interval de timp specificat sunt măsurate și luate ca valori de referință pentru procesul de control ulterior. După ce acest interval de timp a expirat, controlerul trece în starea de testare.

• În starea de testare, puterea TX este redusă pentru a verifica dacă rețelele vecine se comportă într-un mod cooperativ, reducându-și puterea TX. În timpul acestui proces, încărcătura de date și C/I sunt observate pentru a determina calitatea legăturii. Când puterea minimă posibilă TX este atinsă, algoritmul trece în starea de control.

• În starea de control, are loc controlul fuzzy. Ca valori de intrare pentru controler, C / I și încărcătura de date sunt luate în considerare. Valoarea de ieșire, puterea TX, se calculează în conformitate cu inferența. Dacă suma schimbărilor puterii TX este aproape de 1, ceea ce înseamnă că controlorul a decis să-l schimbe cu o sumă mică, se consideră că controlul puterii a ajuns într-o stare stabilă. Algoritmul trece apoi la starea de monitorizare.

• În starea de monitorizare, se observă C/I. În cazul în care se depășește un anumit prag pentru mai mult de un interval de timp specificat, sistemul revine la starea de control.

Procesul de control fuzzy este efectuat în starea de control. Procesul de control fuzzy funcționează după principiul următor:

• În faza de fuzzificare, valorile tranșante de intrare, de ex. C / I a unei conexiuni și sarcina de coadă de transmisie a expeditorului, sunt mapate la valori de ieșire difuze, cum ar fi "canalului este slabă", "canal este bun" sau "coadă de încărcare este scăzut".

• Din valorile de intrare fuzzy, valorile de ieșire fuzzy sunt calculate folosind inferențe. O astfel de concluzie poate fi, de exemplu: "dacă sarcina aflată în așteptare este mare, iar calitatea canalului este slabă atunci crește puterea de transmisie". Datorită naturii fuzzy a valorilor prelucrate, nu există nici un ascuțit dacă, atunci, cu toate acestea. Valoarea de ieșire se calculează în funcție de gradele de membru.

• În faza de defuzificare, rezultatul inferenței, cum ar fi "creșterea puterii TX" este mapat la o valoare de ieșire tranșantă, aceasta fiind un factor cu ajutorul căruia puterea de transmisie ar trebui să fie crescută sau redusă.

Capitolul 3. Platforma SDR USRP N210

3.1 Generalități USRP

Platformele USRP sunt sisteme de tip SDR, dezvoltate și distribuite de firma americană Ettus Research la un preț accesibil mai ales pentru universități, laboratoare de cerecetare dar și pentru amatori. SDR este un radio cu caracteristici reconfigurabile, iar prelucrarea digitală a semnalelor poate fi realizată în software și nu în hardware. Figura 3.1 ilustrează o diagramă de tip bloc pentru un SDR care redă semnalul recepționat de blocul RF digitizat cu ajutorul convertorului analog-digital și transmis ulterior blocurilor de procesare în banda de bază.

Figura. 3.1: Diagrama bloc pentru un SDR [8]

Gama de produse USRP include o multitudine de modele cu aceeași arhitectură. Aceasta cuprinde în special următoarele două module[19]:

Placa de bază (motherboard) este alcătuită din mai multe componente: circuit FPGA (Field Programmable Gate Array) folosit pentru procesarea digitală a semnalului, convertoare analog-digitale (ADC), convertoare digital-analogice (DAC), procesor pentru interfața cu gazda (host processor interface) și stabilizator de putere. Rolul acestor componente este acela de a procesa semnalele în banda de bază.

Placa auxiliară (daughterboard) este un modul de radiofrecvență utilizat în procesele analogice cum ar fi conversiile directe, filtrări și alte prelucrări ale semnalului. Prin intermediul acestui modul, USRP-ului îi este permis accesul la utilizarea aplicațiilor ce oprează până la frecvențe de 6 GHz.

Conexiunea pentru schimbul de date dintre platformă și un PC gazdă se creează cu ajutorul unei interfețe, fie Gigabit Ethernet, fie USB 2.0 (USB 3.0 pentru modelele mai noi de USRP), în funcție de modelul ales din seriile NETWORKED sau BUS. Modelele din seria EMBEDDED au prestabilite un sistem de operare, drivere dar și alte programe, iar utilizatorii au posibilitatea de a dezvolta și rula aplicațiile direct pe platforma USRP.

Comparativ cu alte platforme SDR disponibile, produsele USRP au avantajul unui preț mult mai mic precum și posibilitatea de a utiliza programele open-source (de exemplu GNU Radio), prin intermediul cărora pot fi dezvoltate aplicații complxe diferite.

În tabelul 3.1 sunt expuse caracteristicile unor modele USRP din cele trei serii disponibile: Networked, Bus și Embedded.

Figura 3.2. Caracteristicile pentru diferite modele USRP [9]

Dintre modele expuse anterior, am ales platforma USRP N210 din seria Networked, pusă la dispoziție de Facultatea de Electronică, Telecomunicații și Tehnologia Informației, pentru testarea standardului 802.11 ha prin metodă hibridă prezentată în cadrul acestei lucrări.

3.2 Prezentarea platformei USRP N210

Modelul N210 este produs și dezvoltat de Ettus Research și oferă o lățime mare de bandă și o capacitate mai mare de prelucrare a datelor decât N200. Acest model este utilizat în aplicațiile care necesită o dezvoltare imediată din domeniul comunicațiilor cu cerințe complexe. În figura 3.2 este ilustrată platforma USRP utilizată în partea practică a acestei lucrări.

Structura platformei cuprinde un instrument de tip FPGA Xilinx Spartan 3A-DSP 3400, un ADC dual cu o rată de 100 MS/s, un DAC dual cu o rată 400 MS/s și conectivitate Gigabit Ethernet (1000 Mb/s) pentru schimbul de date dintre dospozitiv și un PC gazdă. Datorită proiectării modulare, USRP-ului îi este permis să opereze cu frecvențe de până la 6 GHz, în timp ce un port de expansiune permite sincronizarea și utilizarea mai multor dipozitive asemănătoare într-o configurație de tip MIMO (multiple input/multiple output).

Referitor la modulul GPSDO (GPS Disciplanated Oscillator) opțional, acesta poate fi folosit și la ajustarea ceasului de referință intern cu o precizie de 0,01 pm, prin intermediul sistemului de poziționare globală. Alimentarea platformei se realizează la o tensiune de 6V în curent continuu și un curent de 2,3A.

Figura 3.3. Platforma SDR USRP N210

Prin intermediul circuitului FPGA standard și a procesorului RISC (Reduced Instruction Set Computing) pe 32 de biți, utilizatorii pot pune în practică funcții suplimentare diferite. Circuitul FPGA permite rularea aplicațiilor care au un preț mai mare din punct de vedere al memoriei, logicii și resurselor prelucrării digitale necesare și este mai performant decât cel circuitul modelului N20.

În figura următoare este ilustrat panoul frontal al platformei USRP N210 unde se observă porturile utilizate la conectări, antene de RF, alimentări și cele 6 leduri de stare A-F care oferă informații diferite și complexe cu privire la funcționarea dispozitivului.

Figura 3.4. Panoul frontal al platformei USRP N210

LED A: modul transmisie;

LED B: legătura MIMO activă;

LED C: modul recepție;

LED D: programul firmware încărcat;

LED E: semnal referință fixat;

LED F: conținutul CPLD (Complex Programmable Logic Device-dispozitiv logic programabil complex) încărcat. [22]

3.3. Placa de bază

Pe placa de bază a platformei USRP N210 se află toate circuitele integrate indispensabile în procesarea semnalului, modulele de radiofrecvență montate și un număr mare de conectori. Totodată, în cazul aplicațiilor în care sincronizarea precisă este deosebit de importantă, există și un ceas de referință intern cu o precizie de 2,5 ppm (părți pe milion), adică pentru o frecvență de ceas de 100 MHz, deviația maximă de frecvență va fi de 250 Hz. Cu ajutorul modulului opțional GPSDO, precizia poate fi îmbunătățită până la 0,01 ppm, diminuându-se astfel deviația maximă de fecvență la 1 Hz pentru aceeași frecvență de ceas de 100 MHz.

În figura 3.5 este redată imaginea de ansamblu pentru placa de bază a platformei USRP N210:

Figura 3.5. Placa de bază a platformei USRP N210 [10]

FPGA

Circuitul integrat FPGA Xilinx Spartan 3A-DSP 3400 este cea mai importantă piesă prezentă pe placa de bază și asigură procesarea digitală a semnalului, logica de sincronizare pentru ceas, rata de chip și de simbol. Această piesă are cinci elemente programabile principale:

blocul XtremeDSP 48 suportă diferite funcții programabile, precum multiplicatorul (18×18 biți), acumulatorul (48 biți), pre-sumatorul/scăzătorul, comparatorul de nivel, numărătorul, etc.;

blocul de RAM pentru stocarea datelor;

blocurile logice configurabile (CLB-Configurable Logic Blocks) au mai multe funcții logice și stochează date;

blocurile de intrare/ieșire verifică fluxul de date dintre pinii de intrare/ieșire și logica internă a echipamentului;

blocurile pentru coordonarea ceasului digital (DCMB-Digital Clock Manager Blocks) oferă auto-calibrarea semnalelor de tact și soluții complet digitale pentru distribuirea, întârzierea, multiplicarea, divizarea și defazarea acestora.

Pentru obținerea parametrilor FPGA-ului se aplează la datele de configurare care se încarcă în CLL-urile (CMOS configuration latches) reprogramabile iar toate elementele funcționale și resursele de rutare sunt controlate. Configurația este păstrată într-un mediu non-volatil, nu neapărat pe placă, și după conectarea alimentării datele sunt scrise în FPGA.

De asemenea, în componenta FPGA-ului se observă și convertoarele digitale DDC (Digital Down Converter) și DUC (Digital Up Convertor) cu o rezoluție de 25 mHz. Rolul acestora este de a filtra, de a decima, de a interpola semnalul pentru translatarea acestuia de pe o frecvență intermediară în banda de bază și invers.

ADC și DAC

Convertoarele de tip ADC (analog-digitale) sunt folosite în partea de recepție a semnalului pentru digitalizarea acestuia și au ca scop efectuarea, prelucrarea și cuantificarea unei eșantionări cu o anumită rată. Rata de eșantionare face referire la frecvența cu care ADC-ul măsoară semnalul analogic, iar gama dinamică este definită de numărul nivelurilor semnalului distinse de convertor. ADC-ul este precedat de un amplificator cu un câștig programabil care are rolul de a intensifica semnalul de intrare în convertor, într-o gamă maximă de 2V vârf-la-vârf și o impedanță de intrare de 50 de ohmi.

De asemenea, pentru partea de transmisie sunt utilizate convertoarele digital-analogice (DAC), urmate de amplificatorul cu câștig programabil. Gama maximă pentru un DAC este 1V vârf-la-vârf, iar impedanța de intrare are aceeași valoare de 50 de ohmi.

3.4. Modulul de radiofrecvență XCVR2450

În cadrul platformei de tip USRP N210 folosite pentru aplicația de detecție spectrală prezentată în capitolele anterioare, am utilizat și modulul de radiofrecvență XCVR2450, rulat și dezvoltat de asemenea de firma Ettus Research. Modulul montat pe placa de bază prezentată anterior este ilustrat în figura 3.5.

Modulul XCVR2450 este un transceiver de înaltă performanță destinat pentru funcționarea în gama de frecvențe 2.4 GHz – 5.9 GHz. Filtrarea pe XCVR2450 oferă selectivitate excepțională și o gamă dinamică în benzile destinate de funcționare. Ieșirea de energie XCVR2450 este de 100 mW. XCVR2450 este un transceiver semi-duplex.

Figura 3.6. Modulul de radiofrecvență XCVR2450

După cum se poate observa în figura 3.5, în partea centrală a modulului WBX se află și un modul auxiliar de RF ce cuprinde 2 porturi, J1 și J2, prin intermediul cărora se pot recepționa/transmite semnalele de la/către antenă. Pentru realizarea aplicației spectrale s-a utilizat doar portul J1 care a contribuit la captarea semnalelor reale și la prelucrarea acestora.

3.5. Driver-ul UHD

Un alt softoware dezvoltat de firma Ettus Research este UHD (USRP Hardware Driver) care face posibilă comunicația între o platforma SDR USRP N210 și un PC gazdă, cu ajutorul conexiunii Gigabit Ethernet. Prin intermediul acestui software, USRP-ul este compatibil cu o paletă variată de sisteme de operare (Windows, Linux, Mac OS) și medii de dezvoltare (GNU Radio, MathWorks, Simulink, Mathlab, National Instruments LabView).

3.6. Mediul de dezvoltare GNU Radio [11], [12]

GNU Radio este un program gratuit, open-source, cuprinde un set de instrumente software și împreună cu un echipament hardware, cum este USRP-ul, permite formarea unei platforme complete pentru realizarea unui radio definit prin software. Totodată, acesta poate fi folosit și ca un pachet software de sine stătător pentru rularea de simulări. Pentru rularea GNU Radio, este recomandat ca sistemul de operare folosit să fie Linux, însă acesta poate fi utilizat și pe Windows, cu ajutorul unuia din programele Cygwin, MinGW/MSYS sau MAC OS.

Majoritatea aplicațiilor GNU Radio utilizează limbajul C++ pentru implementarea blocurilor de procesare a semnalului, în timp ce limbajul de programare de nivel superior Python este utilizat la conectarea acestor acestor blocuri. Pentru a controla toți parametrii USRP-ului, stabiliți de software (puterea de transmisie, câștigul, frecvența, selecția antenei, etc.) sunt utilizate comenzile Python. O serie de parametrii pot fi modificați în timp ce aplicația este rulată. Integrarea interfețelor C++ și Python se face prin intermediul compilatorului SWIG (Simplified Wrapper and Interface Generator).

GNU Radio este alcătuit din două componente structurale principale: blocuri de procesare a semnalului și grafuri de semnal. Blocurile sunt organizate astfel încât să aibă un număr determinat de porturi de intrare și ieșire, și sunt formate dintr-o serie de componente mai mici de prelucrare a semnalului. În momentul în care blocurile sunt conectate corespunzător, este realizat un graf de semnal. Blocurile din GNU Radio pot fi clasificate ca surse (sources), destinații (sinks) și filtre.

Sursele sunt blocuri ce au doar porturi de ieșire și sunt utilizate ca element primar în construirea grafului de semnal. Destinațiile sunt alcătuite doar din porturi de intrare și sunt utilizate, de obicei, ca element final în cadrul unui graf. Filtrele sunt considerate ca fiind toate blocurile utilizate pe calea de semnal dintre sursă și destinație, și au câte o intrare și câte o ieșire. Sunt incluse în GNU o serie de blocuri, iar cu ajutorul diferitelor tehnici de modulare/demodulare, diferitelor filtre, indicatorilor de semnal și widget-uri, este posibilă scrierea și adăugarea de noi blocuri. Aceste blocuri pot fi conectate și ierarhic, și se permite astfel realizarea unor blocuri mai complexe pentru efectuarea unor funcții mai speciale.

Conexiunea dintre blocuri se realizează cu ajutorul fluxurilor de date, unde toate elementele de flux utilizează același tip de date. Pentru inițializarea cu succes a fluxului de date, este necesar ca tipul de date dintre ieșirea unui bloc și intrarea următorului să fie precis stabilit. În GNU Radio sunt aceeptate următoarele tipuri de date: byte, short, int, float și complex.

În figura 3.7 este ilustrată structura unui graf de semnal realizat în GNU Radio:

Figura 3.7. Structura unui graf de semnal în GNU Radio [13]

Capitolul 4. Testarea echipamentelor conforme standardului 802.11h utilizând platforme USRP

4.1 Prezentarea echipamentelor folosite

În partea practică s-a urmărit implementarea mecanismului de selecție automată a frecvențe (DFS) caracteristică standardului 802.11h. Selecția automată a frecvenței are un rol important în managementul spectrului disponibil. Funcția de selectare automată a canalului permite rețelei WLAN să schimbe automat un canal, dacă acesta este deja folosit de un alt dispozitiv WI-FI. Acest mecanism are înglobate mijloace de identificare și evitare a altor transmisii radio, care sunt considerate primare. Aceste transmisii primare sunt reprezentate de semnalele radar.

Pentru aceasta au fost utilizate două platforme USRP N210, prezentate in capitolul 4. Una dintre platforme a fost folosită pentru detecția spectrală necesară evaluării parametrilor echipamentului testat, iar cea de-a doua simulează existența unui utilizator primar, mai exact un semnal radar.

Un alt echipament important este router-ul WI-FI Cisco Linksys WAG120N care a avut ca rol emiterea unui semnal radio în banda de 5 GHz. Acest dispozitiv este echipat cu două antene interne, patru porturi Fast Ethernet și este capabil să emită semnale radio atât în banda de 2.4 GHz cât și în banda de 5 GHz. Router-ul WI-FI a fost setat astfel încât să emită doar în banda de 5 GHz și să aleagă automat canalul pe care va transmite semnalul radio.

Figura 4.1. Router Wireless Cisco Linksys WAG120N

Setarea acestui router cât și controlul celor două platforme USRP a fost făcută cu ajutorul unui calculator care rulează sub sistemul de operare Ubuntu (Linux) compatibil cu platforma GNU Radio cu ajutorul căruia se comandă platformele USRP.

Cele patru echipamente au fost conectate la un switch Allied Telesis AT-GS900/16 dotat cu 16 porturi Fast Ethernet.

Figura 4.2 Switch Allied Telesis AT-GS900/16

În continuare este prezentată schema de conectare a celor patru dispozitive utilizate și modul prin care acestea comunică.

Figura 4.3. Schema de conectare a tuturor echipamentelor utilizate

Cele două platforme USRP comunică cu PC-ul prin interfețele Gigabit Ethernet pe care sunt setate urmatoarele IP-uri : USRP (Detecție) – 192.168.10.2, USRP (Semnal Radar) – 192.168.10.3, iar PC-ul are setat pe interfața sa de Ethernet IP-ul 192.168.10.1. Configurarea Router-ului Wireless se face prin accesarea interfeței web a acesteia. Din această interfață se va accesa pe opțiunea “Wireless”, de unde va fi selectată opțiunea Wireless Network Mode să fie 5 GHz.

Figura 4.4 . Interfață Web Router, Sectiunea “Wireless”

Se va folosi și un device wireless, un telefon mobil dotat cu tehnologia de conectivitate wireless pentru generarea unui anumit trafic care poate contura detecția semnalului provenit de la router-ul wireless.

Algoritmul folosit în testarea echipamentelor conforme standardului 802.11h cu ajutorul platformelor USRP este descris altfel:

Se alege o bandă de frecvență, de preferat o bandă care să acopere toate canalele disponibile pentru mecanismul DFS, mai exact 5GHz – 6.1 GHz.

Se realizează o captură a semnalului din această bandă

Se determină canalul în care a fost detectat semnalul emis de router-ul wireless

Se generează un semnal radar încadrat în banda canalului pe care a fost descoperit semnalul transmis de router

Se va face o nouă detecție de spectru setând ca limite pentru banda de frecvență, frecvența minimă și frecvența maximă corespunzătoare canalului identificat

Se vor analiza parametrii de performanță ( timp de eliberare a canalului, timp de terminare a conexiunii, sensibilitatea, recunoașterea diferitelor tipuri de semnale radare)

4.2 Descrierea soluției de testare a echipamentelor conforme 802.11h cu ajutorul platformelor USRP

Captarea semnalului de radiofrecvență dintr-o anumită bandă s-a făcut cu ajutorul antenei VERT9000 cu o caracteristică omnidirecțională în plan orizontal și un câstig de 3dBi, conectată la intrarea J1 a dispozitivului USRP utilizat la detecția de energie.

Modulul de radiofrecvență folosit este XCVR2450 (prezentat în subcapitolul 3.2.2) ce poate funcționa la frecvențe cuprinse între 2.4 GHz și 5.9 GHz. Prin intermediul unei conversii directe, semnalul de radiofrecvență analogic recepționat este adus mai întâi pe o frecvență intermediară cu o valoare suficient de scăzută și apoi este translatat în banda de bază. Semnalul din banda de bază este transformat în domeniul digital prin intermediul convertorului analog-digital prezent pe placa de bază, iar fluxul de date obținut este apoi transmis PC-ului prin legătura Gigabit Ethernet sub formă de pachete UDP/IP (User Datagram Protocol/Internet Protocol) cu ajutorul driverului UHD .

Calculatorul pe care se lucrează pentru realizarea acestei aplicații rulează sistemul de operare Linux, mai exact distribuția Ubuntu 12.04. Programele necesare pentru dezvoltarea părții practice a proiectului sunt GNU Radio si Matlab. GNU Radio procesează datele achiziționate de către platforma USRP (Detectie).

Instalarea programului GNU Radio se face prin introducerea următoarei comenzii în terminalul sistemului de operare:

„wget http://www.sbrac.org/files/build-gnuradio && chmod a+x ./build-gnuradio && ./build-gnuradio”

Aceasta comandă va descarcă un fișier numit “build-gnuradio” care cuprinde un script ce pornește automat instalarea ultimei versiuni disponibile a programului GNU Radio, interfața grafică GNU Radio Companion, precum si driver-ul UHD.

Pentru a verifica dacă există conectivitate între USRP și PC și dacă alocările de IP-uri s-au făcut corect se rulează comanda “uhd_device_find” care va returna în cazul în care a fost detectat dispozitivul urmatoarea secventă:

Figura 4.5. Rezultatul execuției comenzii “uhd_device_find”

Dacă se dorește aflarea mai multor detalii despre platforma USRP precum adresa fizică (MAC), versiunea de FPGA instalată, firmware-ul, caracteristicile modului de radiofrecvență, se va introduce comanda “uhd_usrp_probe”.

Pentru realizarea interfețentei grafice se va utiliza programul Matlab, versiunea R2012a compatibilă cu distribuția de Linux instalată. În următoarea figura este prezentată o schemă bloc pentru metoda de punere în practică a soluției considerate:

Figura 4.6. Schema bloc pentru implementarea practică a testării echipamentelor conforme standardului 802.11h cu platforme USRP

4.3 Prezentarea interfeței grafice și a modului de realizare a acesteia

În Matlab, pentru crearea unei noi interfețe grafice se va alege un Blank GUI (Default) pentru deschiderea unei suprafețe grafice libere prezentată în următoarea figură:

Figura 4.7 Suprafață grafică liberă

Din lista din dreapta suprafeței grafice se poate opta pentru o gamă variata de butoane predefinite folosite pentru realizarea unui interfețe grafice interactive. În interfața construită au fost folosite butoane de tip text, edit text, push button si popup menu. Acestor butoane li s-a putut asigna un tag prin accesarea opțiunii Inspector.

Dupa salvarea interfeței sub forma unui fisier cu extensia .fig, GUIDE va genera automat un fișier cu extensia .m având același nume. Acest fișier conține toate funcțiile necesare rulării interfeței grafice, fiecare funcție putând fi completată cu un cod Matlab adecvat care oferă o anumită funcționalitate elementelor prezente în interfață.

Figura 4.8. Interfață grafică editată în mediul GUIDE

Codul complet din fișierul Guid2.m folosit pentru realizarea interfeței grafice prezentate este atașat în Anexa 1 a acestei lucrări. Menționez că o parte din funcții au fost adaptate pentru funcționalitatea aceastei interfețe după codul Matlab folosit în lucrarea de doctorat a domnului profesor Alexandru Marțian [14].

4.3.1 Funcționalitatea interfeței grafice in procesul de detecție spectrala și semnalarea prezenței unui semnal transmis de un router wirelesss

În partea stângă a ferestrei se observă o casetă denumită “Parametrii achiziției de date’’ care conține parametrii capturii semnalului realizată cu ajutorul USRP-ului și două butoane, “Start detecție” și ’’Stop detecție”, ce sunt utilizate pentru pornirea și oprirea procesului de detecție. Parametrii achiziției de date pot fi introduși de utilizator, însă am selectat pentru fiecare parametru o anumită valoare implicită, pentru simplificarea rulării simulărilor.

Figura 4.9 Prezentarea parametrilor utilizați pentru achiziția de date

Parametrii folositi pentru detecția semnalului, transmiși prin intermediul script-ului, aplicatiei GNU Radio și apoi platformei USRP, sunt următorii:

Frecvență minimă și frecvență maximă: reprezintă limitele în MHz ale benzii de frecvență în care se realizează captura semnalului. Deoarece am folosit modulul de radio frecvență XCVR2450, valorile pentru acești parametrii trebuie să fie în intervalul 2400 MHz- 5900 MHz. Pentru rularea aplicației, am ales valorile de 5000 MHz și 5900 MHz, deoarece, conform tabelului cu canalele aferente DFS.

Antena folosită: pentru acest parametru am ales un buton de tip popupmenu, cu ajutorul căruia se poate selecta unul dintre porturile care pot fi folosite la conectarea antenei de recepție, J2 sau J1. Pentru această aplicație, am ales portul de recepție J1;

Frecvența de eșantionare: reprezintă rata cu care este eșantionat semnalul recepționat în vederea realizării conversiei analog-digitale a acestuia. Valoarea implicită aleasă este 13 MHz;

Câștigul: este valoarea câștigului în dB pentru procesarea semnalului recepționat. Se pot alege valori între 0 dB și 30 dB, cu valoarea implicită 0 dB;

Dimensiunea FFT: valoarea acestui parametru reprezintă numărul de puncte în care se calculează transformata Fourier a semnalului digital în cadrul aplicației GNU Radio. Se poate alege una din următoarele valori: 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096;

Numărul de medieri: reprezintă numărul de măsurători mediate efectuate în cadrul aplicației GNU Radio. Este recomandată alegerea unei valori între 1 și 10 întrucât un număr mai mare de medieri poate crește considerabil timpul de prelucrare a semnalului recepționat. Valoarea implicită aleasă este 1;

Offset OL: prin acest parametru se setează o frecvență de offset exprimată în MHz pentru oscilatorul local situat pe placa de bază a USRP-ului. Am ales o valoare implicită de 0 MHz.

În corpul funcției start_callBack este apelată o aplicație in GNU Radio, folosind următoarea comandă python ss2.py -g %d -A %s -s %.2fe6 -N %d -F %d -L %de6 %dM %dM.

Menționez că la baza scriptului din fișierul ss2.py scris în limbajul de programare Python a stat codul sursă dezvoltat în lucrarea de doctorat a domnului profesor Alexandru Marțian [29]. Din cauza incompatibilității scriptului inițial cu versiunea de GNU Radio folosită, am efectuat unele modificări în codul acestuia, în vederea obținerii unui script funcțional.

Rularea acestui script controlează platforma USRP folosită la detecția semnalului aflat în banda aleasă și cu parametrii aleși. În plus față de parametrii pe care ii introducem în interfață, scriptul folosește și alți parametrii setați la valori implicite, cum ar fi adresa IP a USRP-ului, timpul de întârziere după schimbarea frecvenței cu valoarea implicită 25*10-3 s, timpul de oprire la intervale regulate la o frecvență dată cu valoarea implicită 25*10-3 s.

Scriptul generează un fișier “Y_db.txt” care conține valorile puterii semnalului recepționat de USRP în banda de frecvențe aleasă. Acest fișier l-am folosit pentru a semnala prezența semnalului generat de router-ul wireless.

Astfel am folosit funcția max() din Matlab pentru a extrage valoarea maximă din acest fisier și pentru a o compara cu un anumit prag, mai exact -50 dB. Atunci când aceasta condiție este îndeplinită caseta corespunzătoare butonului text denumit “OK” se va modifica din culoarea alb în verde.

Figura 4.10 Caseta corespunzătoare detecției semnalului generat de router-ul wireless

Apăsarea butonului Stop detecție pune capăt detecției spectrului prin apelarea funcției stop_Callback, unde stop reprezintă eticheta atribuită butonului. Oprirea detecției se face prin comanda unix('killall -9 python'), care termină rularea procesului denumit python din fereastra de procese System Monitor.

După rularea acestei comenzi, folosind rezultatele obținute, se afișează graficul din figura 4.11 care reprezintă densitatea spectrală de putere a semnalului detectat în banda de frecvențe 5000 MHz – 5900 GHz.

Figura 4.11 Grafic densitate spectrala de putere a semnalului.

Concluzii

Studiile au condus la concluzia că utilizarea eficientă a spectrului prin folosirea tehnologiei CR, având în vedere utilizarea actuală cu o eficiență de ordinul a 15%, poate duce la o creștere substanțială a capacității de transfer a datelor prin transmisii radio, cu efecte economice greu de cuantificat în etapa actuală dar substanțiale. Unele dintre motivele care pot fi invocate pentru o astfel de utilizare pe scară largă ale rețelor WLAN sunt costurile mici ale infrastructurii, usurința de dezvoltare, implementare fără cabluri și ușurința de adăugare a unui utilizator nou la rețea.

În primul capitol sunt prezentate câteva standarde cu acces multiplu la spectru și câteva generalități ale tehnlogiei radio cognitiv. Această tehnologie asigură o comunicație de înaltă fidelitate independentă de loc și timp și folosirea eficientă a spectrului radio prin utilizarea unor scheme de alocare a spectrului și de management al resurselor radio mult mai flexibile.

Al doilea capitol descrie standardul 802.11h și explică funcționarea mecanismelor de selecție automată a frecvenței și control al puterii de transmisie, caracteristice acestui standard. S-a pornit de la o prezentare generală a standardului 802.11, fiind apoi evidențiate avantajele folosirii standardului 802.11h. Unul din avantaje este extinderea domeniului de operare al 802.11 în banda de 5 GHz din Europa.

Capitolul trei a fost constituit din realizarea unei descrieri a platformei USRP N210 utilizate pentru captarea unor semnale. Am menționat rolul și importanța FPGA-ului existent pe placa de bază a USRP-ului în procesarea digitală a semnalelor recepționate precum și o trecere în revistă a driver-ului UHD folosit în comunicația dintre platformă și calculator prin intermediul conexiunii Gigabit Ethernet, dar și a principalelor elemente ale mediului de dezvoltare GNU Radio.

În capitalolul patru este expusă metoda de testarea a standardului 802.11h utilizând platforme USRP. Astfel au fost descrise echipamentele necesare implementării metodei, programele utilizate pentru controlul platformelor USRP și dezvoltării unei interfețe grafice care permite selectarea unor anumiți parametrii pentru o testare cât mai eficientă. Totodată a fost prezentat algoritmul folosit pentru obținerea rezultatelor și a parametrilor de performanță a router-ului wireless.

Lucrarea practică a avut ca scop determinarea timpului de eliberare a canalului, timp de terminare a conexiunii, sensibilitate și recunoașterea diferitelor tipuri de semnale radar. În concluzie, prin implementarea acestei aplicații s-a dorit evidențierea faptului că utilizarea standardului 802.11h ajută la reducerea interferențelor dintre semnalele emise de dispozitivele wireless și semnalele mult mai importante transmise de echipementele radar și sistemele de sateliți.

Bibliografie

[1] Ion Marghescu, Cognitive Radio Technology and the Evolution of Wireless Communication Networks, Revue Roumaine de Sci. Technique, Serie Electrotechnique et Energetique, to be published in Tome 55, No.3, 2010

[2] http://www.cnfr.md/index.php?pag=noutati&opa=view&id=245&start=10&l=, accesat la 03.08.2014

[3] http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.22, accesat la 27.07.2014

[4] http://www.ieee802.org/22/Technology/22-10-0073-03-0000-802-22-overview-and-core-technologies.pdf, accesat la 27.07.2014

[5] http://www.ietf.org/proceedings/81/slides/paws-3.pdf, accesat la 29.07.2014

[6] IEEE Std 802.22-2011TM, Standard 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, July 2011

[7] http://www.slideshare.net/tanvuth/ieee-80211-standard, accesat la 05.08.2014

[8]http://www.comm.pub.ro/_curs/cic/curs/CIC_Capitolul%209%20Retele%20locale%20fara%20fire.pdf, accesat la 05.08.2014

[9] Rozeha A. Rashid, M. Adib Sarijari, N. Fisal, S. K. S. Yusof, N. Hija Mahalin, „Spectrum Sensing Measurement using GNU Radio and USRP Software Radio Platform”, ICWMC 2011 : The Seventh International Conference on Wireless and Mobile Communications, pp. 237-242

[10] http://www.aliexpress.com/item-img/Free-Shipping-General-usrp-n210-development-board-n200-enhanced-spartan3a-dsp3400/1680632940.html, accesat la 06.06.2014

[11] Mälardalens Högskola, „Evaluation of Software Defined Radio Platform with respect to implementation of 802.15.4 ZigBee”, Västerås, 2011, pp. 23-34

[12] http://www.gnuradio.org/ , accesat la 02.09.2014

[13] A.M. Wyglinski, M. Nekovee, T. Hou, „Cognitive Radio Communications and Networks”, Academic Press, 2009.

[14] Alexandru Marțian, “Utilizarea eficientă a spectrului folosind tehnologia radio cognitiv”, Teză de doctorat, Universitatea Politehnica București, 2013

Călin Vlădeanu, Safwan El Assad, Jean-Claude Carlach, Raymond Quéré, Ion Marghescu, Optimum PAM-TCM Schemes Using Left-Circulate Function over GF(2^N), Proceedings of ISSCS, Iași, 2009

Simona V. Halunga, Ioana M. Marcu, Octavian Fratu, Ion Marghescu, ORTHOGONALITY, AMPLITUDE AND NUMBER OF USERS EFFECTS ON CONVENTIONAL MULTIUSER DETECTION USING TURBO DECODING, Proceedings of EUROCON, Sankt Petersburg, 2009

Calin Vladeanu, Safwan El Assad, Jean-Claude Carlach, Ion Marghescu, Optimum GF(2^N) Encoders using Left-Circulate Function for PSK-TCM Schemes, Proceedings of the 17-th edition of EUSIPCO, Glasgow, 2009

J. Mitola et al., “Cognitive Radios: Making Software Radios more Personal,” IEEE Pers. Comm., vol. 6, no. 4, Aug. 1999.

Alexandru Martian, “Real-time Spectrum Sensor based on USRP”, Politehnica University of Bucharest, Telecommunications Department, Bucharest, Romania

Anexe

Anexa 1. Codul Matlab pentru interfața grafică