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COGNITIVE RADIO ON TV BANDS: A NEW APPROACH TO PROVIDE WIRELESS CONNECTIVITY FOR RURAL AREAS

COGNITIVE RADIO ON TV BANDS: A NEW APPROACH TO PROVIDE WIRELESS CONNECTIVITY FOR RURAL AREAS. YING-CHANG LIANG AND ANH TUAN HOANG, INSTITUTE FOR INFOCOMM RESEARCH HSIAO-HWA CHEN, NATIONAL CHENG KUNG UNIVERSITY IEEE Wireless Communications • June 2008. 指導 教授 : 郭文興 學生 : 林祺富. ABSTRACT.

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COGNITIVE RADIO ON TV BANDS: A NEW APPROACH TO PROVIDE WIRELESS CONNECTIVITY FOR RURAL AREAS

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Presentation Transcript

  1. COGNITIVE RADIO ON TV BANDS:A NEW APPROACH TO PROVIDEWIRELESS CONNECTIVITY FOR RURAL AREAS YING-CHANG LIANG AND ANH TUAN HOANG, INSTITUTE FOR INFOCOMM RESEARCH HSIAO-HWA CHEN, NATIONAL CHENG KUNG UNIVERSITY IEEE Wireless Communications • June 2008 指導教授:郭文興 學生:林祺富

  2. ABSTRACT • IEEE802.22感知無線電可以在鄉村地區提供可靠的感知結果 • 本文主要是在介紹IEEE802.22用TDD(time division duplexing) 來執行 • 我們也提出了ATDD來解決TDD所造成的延遲問題

  3. 目錄 • ABSTRACT • INTRODUCTION • RURAL CONNECTIVITY: CHALLENGES ANDEXISTING • CHALLENGES OF HIGH COSTS AND LOW DEMAND • EXISTING TECHNOLOGIES • COGNITIVE RADIO AS AN EMERGING TECHNOLOGY • OPPORTUNISTIC SPECTRUM ACCESS • IEEE 802.22 — PROVIDING RURAL WIRELESSBROADBAND

  4. 目錄 • COMBINING TV AND DATA SERVICES FORRURAL AREAS • ADAPTIVE TDD FOR LARGE RURAL COVERAGE • TDD TURN-AROUND TIME • ADAPTIVE TDD • THE IMPACT OF ADAPTIVE TDD • NUMERICAL RESULTS • CONCLUSIONS • REFERENCES

  5. INTRODUCTION • [1]統計出來在美國有3百多萬人居住在鄉村 • [2]的研究顯示了發展感知無線電對於鄉村的建設有大很的幫助 • [3-7]因為鄉村的範圍面積過大,使用有線的網路技術會有地形和牽線困難的問題.所以無線的技術運用在鄉村中是很重要的 • [3-4]介紹了cellular和衛星的技術 • [5-7]提到了建立短期的區域網路最大的挑戰是如何降低成本 • [8]提到大部分的可使用的頻寬都沒有被善加利用,所以感知無線電就顯的格外重要,他也可以降低成本

  6. INTRODUCTION • [9]提到了IEEE802.22(WRAN)用TDD,(OFDMA)orthogonal frequency division multipleaccess和使用在VHF和UHF(ultrahighfrequency)這2個頻寬 • 要如何確保TV,無線麥克風和(WRAN)系統不會產生干擾也是需要研究的地方 • 要如何讓鄉村人口可以使用到便宜的服務,並且提供的服務要能夠滿足鄉村的需求,是很重要的 • 本文主要是在說TDD使用在IEEE802.22上,並且克服了TDD turn-around time的問題,大大的增加了無線網路覆蓋的面積

  7. RURAL CONNECTIVITY: CHALLENGES ANDEXISTING TECHNOLOGIES • 本文強調的是挑戰如何在鄉村提供服務和發展傳播技術的市場 • 介紹現有的技術

  8. CHALLENGES OF HIGH COSTS AND LOW DEMAND • 鄉村的(ICT) communications technology市場有 下列3種特性: • 高度的分散和高花費: 在鄉村發展網路需要高額的費用,主因是範圍太大且缺乏傳播的設備 • 客戶不集中且需求量不高: 鄉村的收入不高,網路的需求也不高,這也造成了無法集中提供設備 • 採用服務的比例不高:鄉村的人沒有這麼快就接受這些新 的東西 • 要能夠發展鄉村的網路,關鍵是要能夠提出夠便宜的服務.

  9. EXISTING TECHNOLOGIES • Cellular/Wireless Local Loop/Satellite • (WLL) 的優點就是在於不需要花太多時間架設,而且也比傳統的的電纜花費還低 • Cellular所花費的成本也有明顯的減少,可是他仍然還不夠便宜 • Satellite 常被使用在鄉村中,他用於分配電視信號和互動式的語音或資料.可是他的硬體設備太貴了

  10. EXISTING TECHNOLOGIES • Wi-Fi:也就是802.11X,他主要就是把有線的區域網路變成無線的傳輸,可以再透過高的建築物安裝定向天線可以大大增加覆蓋的距離.比起cellular和satellite他更容易設定且成本更低 • WiMAX:也就是802.16,他的優點是傳輸距離夠遠和夠快.可是設備昂貴

  11. EXISTING TECHNOLOGIES • DakNet — Asynchronous Service Network :他主要是由三個東西組成,hub, mobile access point (MAP)和InfoKiosk.他不是同步的傳輸 • 即時傳播的設備比較昂貴 • 雖然他是非同步的可是已經足夠應付鄉村的使用量 • 不適合用在發布緊急資訊 • 因為鄉村使用網路的頻率不是那麼大, DakNet的服務足夠應付,且也比較便宜

  12. COGNITIVE RADIO AS AN EMERGINGTECHNOLOGY • 我們介紹了如何善加使用頻譜和使用感知無線電 • IEEE802.22感之無線電是如何克服在鄉村使用上的問題

  13. OPPORTUNISTIC SPECTRUM ACCESS • 目前大約有75%的頻譜有分配用於各種目的.其中大約又有70%很常沒有被使用到. • 因此就有了想要善加利用那些頻譜的想法,和感知無線電的產生 • 感知無線電有3個功能 • 頻譜感知:可以感知外在的使用環境,不會在影響到主要使用者的權益 • 動態的頻譜管理:可以選擇最有效率的頻譜來使用並且感知外在的環境來保護主要使用者 • 適當的傳輸:他可以自由的調整參數,讓最需要的使用者能夠得到頻譜

  14. IEEE 802.22 — PROVIDING RURAL WIRELESSBROADBAND • IEEE802.22(WRAN)系統是以CR為基礎,利用TV頻寬來執行,且不會造成干擾 • 圖一介紹了一個典型的(WRANBS)和CPE和TV的共存關係 • IEEE802.22有2個優點,不需要特定的頻譜和很大的覆蓋範圍 • 大部分的研究都是在於如何加強感知或是提供多重(WRAN)共存,可是不符合鄉村的需求 • 我們提出了使用TDD運用在(WRAN)系統中 • TDDturn-around 時間造成的總留量降低的問題需要我們去克服

  15. IEEE 802.22 — PROVIDING RURAL WIRELESSBROADBAND

  16. COMBINING TV AND DATA SERVICES FORRURAL AREAS • 為了要讓鄉村顧客更容易接受,一開始先提出電話,電視,E-MAIL和網路存取等服務功能 • 在緊急災難的情況時,電視可以切換成命令和搜救的資訊,慢慢的融入鄉村環境中,提高使用率 • MMDS(multichannelmultipoint distribution service)可以用在電視影像和資料服務,可是他需的頻寬太大不適合 • 下圖顯示了電視和資料傳輸可以共存

  17. COMBINING TV AND DATA SERVICES FORRURAL AREAS

  18. ADAPTIVE TDD FOR LARGE RURALCOVERAGETDD TURN-AROUND TIME • BS向下傳輸資料給CPE,等到全部的CPE都接收到了,再向上傳回資料給BS • 比較近的CPE等待遠的CPE接收到BS資料的時間就是延遲的時間 • 延遲時間的算法,假設是以802.22最大的傳輸距離100KM來算

  19. ADAPTIVE TDD FOR LARGE RURALCOVERAGETDD TURN-AROUND TIME

  20. ADAPTIVE TDD • (ATDD)可以在比較近的CPE增加一些傳輸資料的空間可以提早向上傳回資料給BS • (ATDD)可以降低傳回資料給BS的延遲時間,提高資料傳輸的效率

  21. ADAPTIVE TDD

  22. THE IMPACT OF ADAPTIVE TDD • (ATDD)可以讓比較近的CPE提早傳回資料給BS和增加OFDMA傳輸空間,也提高了總流量 • 一般的TDD,BS可以傳送資料給4個使用者 • 使用(ATDD)的時候,使用者可以利用多出來的傳輸空間來提早傳輸資料,也可以增加一個新的使用者

  23. THE IMPACT OF ADAPTIVE TDD

  24. NUMERICAL RESULTS • 如果我們固定OFDMA增加的空間,越小的frame就會有越高的上傳流量百分比 • 我們使用frame的大小是5,10,15(ms),電視頻寬是6MHZ,OFDMA技術則是透過計算他的(FFT) 再加上長度是1/4和1/8的cyclic prefix所組成 • 下圖顯示使用(ATDD)單一的平均流量最大可以增加30%最少是5% • 下圖顯示CPE的密集度增加,相對的流量百分比就會減少,剛好符合了鄉村的需求

  25. NUMERICAL RESULTS

  26. CONCLUSIONS • 本文主要是找出適合在鄉村使用的無線網路技術 • 比較現有的技術之後提出了IEEE802.22運用了TDD和OFDMA的原理來執行 • 又再提出了ATDD來解決的TDD的延遲時間的問題

  27. REFERENCES •  [1] Department of Economic and Social Affairs, UnitedNations, “World Urbanization Prospects: The 2005 Revision,”Oct. 2006; http://www.un.org/esa/population/publications/WUP2005/2005wup.htm • [2] E. Hudson, “Economic and Social Benefits of RuralTelecommunications: A Report to the World Bank,”June 1995. • [3] M. D. Farrimond, “PCN and Other Radio-Based TelecommunicationsTechnologies for Rural Regions of theWorld,” Proc. 2nd Int’l. Conf. Rural Telecommun., London,U.K., 1990, pp. 99–104. • [4] R. Westerveld and R. Prasad, “Rural Communication inIndia Using Fixed Cellular Radio Systems,” IEEE Commun.Mag., Oct. 1994, pp. 70–74.

  28. REFERENCES • [5] RuralNet 802.11-Based Low-Cost Networking for RuralIndia;http://www.cse.iitk.ac.in/users/braman/dgp.html • [6] Y. Kawasumi, “Deployment of WiFi for Rural Communitiesin Japan and ITU’s Initiative for Pilot Projects,”Proc. 6th Int’l. Wksp. Enterprise Networking and Computingin Healthcare Industry, 2004, HEALTHCOM2004, June 2004. • [7] A. Pentland, R. Fletcher, and A. Hasson, “DakNet:Rethinking Connectivity in Developing Nations,” IEEEComputer, vol. 37, no. 1, Jan. 2004, pp. 78–83. • [8] FCC, “Facilitating Opportunities for Flexible, Efficient,and Reliable Spectrum Use Employing Cognitive RadioTechnologies, Notice of Proposed Rule Making andOrder, FCC 03-322,” Dec. 2003.

  29. REFERENCES • [9] IEEE 802.22 WG Web site; http://www.ieee802.org/22/ • [10] IEEE 802.22 Wireless RAN, “Functional Requirementsfor the 802.22 WRAN Standard, IEEE 802.22-05/0007r46,” Oct. 2005. • [11] Federal Communications Commission, “Spectrum PolicyTask Force Report, FCC 02-155,” Nov. 2002. • [12] J. Mitola, “Cognitive Radio for Flexible Mobile MultimediaCommunications,” Proc. IEEE Int’l. Wksp. MobileMultimedia Commun., 1999, pp. 3–10. • [13] Y.-C. Liang et al., “System Description and OperationPrinciples for IEEE 802.22 WRANs,” http://www.ieee802.org/22/, Nov. 2005. • [14] Y.-C. Liang et al., “Sensing-Throughput Tradeoff forCognitive Radio Networks,” IEEE Trans. Wireless Commun.,vol. 7, no. 4, Apr. 2008, pp. 1326–37.

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