Sensoriamento Espectral de Baixo Custo Em Banda ISM de 2,4GHz

5/19/2018 Sensoriamento Espectral de Baixo Custo Em Banda ISM de 2,4GHz

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TP537 TRANSMISSO DIGITAL MESTRADO INATEL 04 DE DEZEMBRO DE 2014 SANTA RITA DO SAPUCA MG

Sensoriamento espectral de baixo custo em bandaISM de 2,4GHz

Marco Aurlio Favoreto Casaroli

ResumoAtravs da utilizao de equipamentos comerciais

Wi-Fi de baixo custo, possvel fazer o sensoriamento espectral

na banda ISM de 2,4GHz. Nesse artigo, so descritos uma

tcnica, o hardwaredo equipamento e o softwarenecessrios para

efetuar o sensoriamento espectral e minimizar a interfernciaentre os equipamentos que operam nessa faixa.

Palavras-ChaveRdio cognitivo, Sensoriamento espectral,

Wi-Fi (IEEE802.11).

AbstractBy means of utilization of low-cost commercial Wi-Fi equipment, it is possible to have spectral sensing in the 2.4GHz

ISM band. In this article, it is presented a technique, the

equipment hardware and software necessary to obtain spectrum

sensing, while minimizing the cross-interference caused byequipment that operates in this band.

KeywordsCognitive Radio, Spectral sensing, Wi-Fi

(IEEE802.11).

I. INTRODUO

A demanda por redes de comunicao sem fio tem crescidosignificativamente, e espera-se ainda mais com a utilizao deredes de sensores na Internet das coisas (Internet of Things

IoT). Adicionalmente, pr-requisitos de qualidade de serviocomo alta confiabilidade esto cada vez mais presentes, e

portanto, faz-se necessria a minimizao das interfernciascausadas entre esses equipamentos. Essa caracterstica

denominada de coexistncia.Rdios cognitivos (Cognitive Radio CR) podem ser vistos

como uma tecnologia promissora na rea de comunicao semfio, especialmente em redes distribudas, nas quais precisoque os clientes cooperem para minimizar a interferncia.Dentre as vrias capacidades desse tipo de equipamento est ade obter a cincia do ambiente (ambient-awareness) e docontexto em que os equipamentos se encontram (context-awareness). Isso pode ser visto em parte como a capacidadeque os equipamentos tm de perceber o uso do espectro e seajustarem automaticamente [1], [2], [3].

Um rdio cognitivo deve procurar por partes no utilizadasdo espectro, aprender pelo histrico e tomar decisesinteligentes para ajustar os parmetros de transmisso deacordo com o estado atual do ambiente. As funcionalidadesadaptativas do rdio cognitivo podem ser dividas em quatro

passos, como definido em [4]: sensoriamento espectral, tomadade deciso, mobilidade e compartilhamento. Destas,sensoriamento espectral um componente fundamental emrdios cognitivos. Existem vrias formas diferentes desensoriamento espectral, como deteco de energia, bancos defiltros, covarincia estatstica e deteco ciclo-estacionria [5].

Nesse trabalho, a tcnica selecionada para ser utilizada atcnica da deteco de energia devido a baixa complexidadecomputacional dos algoritmos envolvidos.

Sensoriamento espectral cooperativo ocorre quando umgrupo de rdios cooperam para compartilhar informaes sobreo uso do espectro, e especialmente til para melhorar odesempenho do sensoriamento em ambientes caracterizados

por desvanecimento (fading) e sombreamento (shadowing). Osrdios podem cooperar, compartilhando informaes sobre oambiente para vencer limitaes de usurios individuais.Existem basicamente duas formas principais de se efetuar osensoriamento cooperativo: centralizada, baseada em umcentro de fuso (fusion core FC) que coleta todos os dados edecide por bandas disponveis para uso e; distribuda, em queos rdios trocam informaes entre si e decidem atravs de

polticas locais. De qualquer forma, importante obter o

mximo de informaes possveis sobre o uso do espectro, eportanto, faz-se atraente o uso de equipamentos de baixo custopara se obter essas informaes [6], [7], [8].

As bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) foramaprovadas por autoridades regulatrias para uso sem anecessidade de licena se os dispositivos operarem de acordocom algumas regras. A atratividade das bandas ISM,especialmente a de 2,4GHz permitiu a popularizao ediversificao de inmeras tecnologias de rdio (IEEE802.11,IEEE802.15.1, IEEE802.15.4, WirelessHART, fornos microondas, etc.), porm tambm criou problemas considerveisrelacionados a coexistncia entre esses equipamentos devido ainterferncia imprevisvel e variante no tempo. Esses

equipamentos podem se beneficiar do sensoriamento espectrale da utilizao de rdios geis em frequncia para compartilharo espectro entre usurios no licenciados [9], [10], [11], [12].

Nesse artigo, apresenta-se um sistema de sensoriamentoespectral baseado em uma plataforma comercial de rdioutilizada em roteadores e pontos de acesso Wi-Fi. possvelidentificar partes do espectro no utilizadas, e minimizar ainterferncia entre redes de sensores sem fio (Wireless Sensor

Networks WSN) e implementar tcnicas avanadas deavaliao de canais (Clear Channel Assessment CCA) ou desincronizao de tempo, ou at criar um mapa espacial-temporal da ocupao do espectro, para que outras tecnologias

possam utiliz-lo visando adaptar os seus parmetros de

transmisso e uso do espectro.O restante desse artigo organizado da seguinte forma: a

seo II oferece uma descrio das plataformas de hardware,softwaree o mtodo da deteco de energia utilizados, a seoIII descreve a metodologia de experimentao aplicada, a seoIV conclui o trabalho e oferece algumas sugestes de trabalhosfuturos que poderiam enriquecer ainda mais a coexistncia.

II. DESCRIO DA PLATAFORMA

As subsees a seguir descrevem com mais detalhes aplataforma e a metodologia utilizada. A subseo A descreve ohardware, a subseo B descreve o sistema operacional, a




informaes de um determinado canal indefinidamente, comum intervalo especfico. Dessa forma, os programas detraduo e anlise que so responsveis por determinar qual onmero de amostras a serem consideradas.

Dentre os dados fornecidos pela interface fsica (PHY),temos o piso de rudo (!!), a intensidade do sinal (!""#) e amagnitude de cada uma das portadoras utilizadas no Wi-Fi(! ! ). Para um canal de 20MHz, utilizado nesse artigo, onmero de portadoras 56.

Ns desenvolvemos um software que executa no roteadorcom um componente em linguagem C capaz de decodificar oformato utilizado internamente pelo driver, calcular o nvel dosinal para cada portadora e converter as informaes para umformato legvel e portvel denominado JSON (JavaScriptObject Notation), adicionalmente outro componente emlinguagem Lua envia os dados para o computador atravs do

protocolo ZeroMQ. Esses componentes so chamados desoftware de traduo. O clculo do nvel de sinal de cada

portadora efetuado da seguinte forma:

!! ! !"

!"#

!!!!!

!"

!!!

(8)

!! ! !! ! !""# ! !" !"# ! ! !! !!! ! ! ! ! !" (9)

Onde !! o nvel do sinal da portadora iem dBm, e !!!!so osnveis informados pelo driver da magnitude do sinal da

portadora i, !! o piso de rudo eRSSI o indicador da forado sinal recebido, parmetros fornecidos pelo driver[17].

O intervalo de amostragem entre dois quadros sucessivosfoi fixado em 1,024 ms. Esse valor foi escolhido por ser omaior valor disponvel oferecido pelo drivere por ser prximoao tempo da mnima durao de um pacote IEEE802.11 de1,303 ms [9].

Tambm desenvolvemos outro software em linguagemPython que executa em um computador que est conectado aoroteador por um cabo Ethernet, a fim de efetuar as anlises.Esse software calcula M, de acordo com a equao (10) aseguir, limita o nmero de amostras a serem consideradas,exporta as amostras para um arquivo para anlise posterior,compara com o limiar e conta quantas observaes esto dentroe fora do critrio, a fim de determinar a !!.

Aplicando a (9) em (5), temos portanto:

! ! !"!"#!

!" !"

!!

!"

!!"

!!!

(10)

Onde M o nvel mdio em dBm do sinal recebido no canal,que deve ser comparado com !para determinar se o canal estem uso ou no.

A fig. 1 ilustra o cenrio com o roteador, o computador e osdoissoftwares.

Fig. 1. Cenrio utilizado no sensoriamento.

III. METODOLOGIA E EXPERIMENTAO

Para a experimentao, foi selecionado o canal Wi-Fi 1com frequncia central 2,412GHz pelo fato do mesmo ser omenos utilizado na regio em que foram executados os testes.

No entanto, seria possvel a utilizao de qualquer canal. Assubsees a seguir descrevem com mais detalhes asmetodologias aplicadas. A subseo A mostra como foideterminado o limiar ! relacionado a uma !!! deaproximadamente 0,1 ou 10%. A subseo B mostra comoforam levantados os valores de !

! relacionados ao limiar pr-

estabelecido para alguns nveis de potncia de transmisso deum equipamento interferente em um cenrio especfico.

A.Levantamento do limiar !

Deseja-se definir um limiar !a fim de se obter !!" ! !!!.Para isso, o roteador foi envolvido por uma manta isolante queatenua o sinal em pelo menos 100dB, a fim de simular aausncia de um operador ocupando o canal, e foram coletadasaproximadamente 100.000 amostras de M. As amostras foramimportadas no ambiente de computao estatstica R [18]. Afig. 2 mostra um histograma dos valores coletados.

Fig. 2. Histograma das amostras de M coletadas.

Foi ento selecionado ! ! !!!"!!!"# de tal sorte que9,995% ou 9.995 amostras ficassem acima desse limiar. Essa

escolha efetivamente define a probabilidade de falso alarme(!!") em 0,0995 ou 9,995%.

B.Levantamento de !!

Aps um limiar ! ter sido selecionado, o roteador foicolocado em um ambiente onde existe outro computadorconfigurado para operar em uma rede Ad-Hoc ponto a pontofazendo o papel de interferente ou de primrio. A distnciadesse computador at o roteador foi variada de forma que aenergia do sinal no receptor possa ser ajustada. Para cada umadas 8 distncias diferentes, foram coletadas 1.000 amostras Mde sensoriamento, definindo um tempo de amostragem de1,024 segundos. As amostras foram comparadas com o limiar !




e contado o nmero de observaes nas quais M ultrapassoueste limiar. Foi portanto determinada a !!para cada caso. Os

pontos foram interpolados utilizando regresso polinomiallocal (disponvel atravs das funes loess e predict noambiente de computao estatstica R) e os resultados somostrados em um grfico na fig. 3 a seguir.

Fig. 3. !!versus distncia.

Pela fig. 3, possvel observar que para uma distnciamenor que 2, a probabilidade de deteco de pelo menos90%.

IV. CONCLUSES

Para maximizar a coexistncia entre as tecnologias de rdioe minimizar a interferncia causada entre os equipamentos, necessrio obter a maior quantidade de informaes possveissobre o uso do espectro. Novas tecnologias, como redes de

sensores podem se beneficiar imensamente do mapeamento daocupao espacial e temporal do espectro.Sendo assim, o uso de equipamentos comerciais de baixo

custo como roteadores Wi-Fi, interfaces de rede sem fio, e osprprios sensores para efetuar o levantamento das informaessobre o uso do espectro extremamente atrativo.

Nesse trabalho, utilizamos um roteador Wi-Fi popular paralevantar informaes, e utilizamos uma tcnica para estimar a

presena ou no de um usurio primrio na rede. Dessa forma, possvel procurar por canais livres no espectro que poderiamser utilizados por outros dispositivos, como por exemplo,redes de sensores sem fio (Wireless Sensor Area Networks WSAN).

Outras tcnicas de sensoriamento podem serimplementadas, bem como a validao dos dados que estosendo fornecidos pelo drivere pelo hardwaredo equipamento.

Ainda seria possvel a utilizao de mltiplos roteadoresWi-Fi a fim de se obter o sensoriamento espectral cooperativo,melhorando ainda mais o desempenho desse tipo de sistemaem ambientes com desvanecimento.

Alm disso, diversos equipamentos disponveiscomercialmente poderiam ser estudados, pois praticamentequalquer equipamento destes nos d algum tipo de informao

que poderia enriquecer nosso conhecimento a respeito do usodo espectro.

Por fim, uma arquitetura de mapeamento espacial-temporalda ocupao espectral e compartilhamento dessas informaes

poderia ser desenvolvida a fim de unificar e homogeneizartoda a informao relativa a ocupao do espectro, trazendo

benefcios em escala global e gerando economiassignificativas na massiva implantao de redes de sensores,sobretudo na chamada Internet das Coisas (Internet of Things

IoT).

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