Comunicações IMT-2020 : interferência e compartilhamento de frequência em ondas milimétricas

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2019.Projeções estimam que, globalmente, o tráfego mensal de dados móveis pode chegar a 57 exabytes em 2020, com perspectivas de crescimento exponencial nos anos subsequentes. Mais do que isso, a quantidade e densidade de usuários em redes de telefonia móvel também deve aumentar significativamente, uma vez que smartphones e dispositivos sem fio estão ficando cada vez mais difundidos. Como sistemas de telefonia de quarta geração não estão preparados para atender a essa demanda, a União Internacional de Telecomunicações (UIT) definiu o IMT-2020 (International Mobile Telecommunications 2020, telecomunicações móveis internacionais 2020) como o conjunto de tecnologias de quinta geração para redes de comunicação móvel em uso a partir de 2020. O IMT-2020 deve operar também em faixas de frequências altas, acima de 20 GHz, conhecidas como faixas de ondas milimétricas. Das faixas em estudo para serem identificadas para o IMT-2020, as bandas de 27-27,5 GHz e 37-42,5 GHz são alocadas ao serviço de satélite fixo, por exemplo, e a faixa de 42,5-43,5 GHz é identificada para o serviço de radioastronomia. Qualquer alocação dessas bandas para o IMT-2020 deve acontecer mediante a realização de estudos de compartilhamento que mostrem que ele não causará interferência danosa aos sistemas existentes. Esses estudos são ainda mais relevantes se considerarmos que no ano de 2019 será realizada a World Radiocommunication Conference (WRC, Conferência Mundial de Rádiocomunicação). Nela, a UIT realizará debates e discussões com o objetivo de rever e revisar as Regulamentações de Rádio para os próximos anos. Com isso, a agenda do evento já inclui debates referentes à alocação de frequência para o IMT-2020 baseada em estudos de convivência submetidos por estados membros e convidados. Para contribuir ativamente com esses estudos, a Agência Nacional de Telecomunicações vem desenvolvendo, junto com parceiros da academia e da indústria, o simulador SHARC, projetado para executar simulações de compartilhamento e convivência. Uma das tecnologias que pode integrar o IMT-2020 é o full duplex, por meio do qual estações transmitem e recebem informação ao mesmo tempo na mesma frequência. Essa tecnologia foi considerada inviável por muito tempo, devido à autointerferência que a transmissão de uma estação operando em full duplex causa ao sinal que ela recebe. Recentes avanços na eletrônica, no entanto, têm proporcionado técnicas de cancelamento dessa autointerferência em níveis que permitem a implementação de um nó full duplex operacional. Outro desafio introduzito pelo full duplex é a maior interferência sistêmica que ele introduz, tanto dentro da rede celular quanto a sistemas operando na mesma faixa de frequência. Como é provável que o IMT-2020 compartilhe espectro com outros serviços, essa interferência extra introduzida pelo full duplex pode lhes ser danosa. Esse trabalho apresenta estudos de compartilhamento de frequência do IMT-2020 com os serviços citados acima. É utilizada a ferramenta FD-SHARC, uma variação do simulador SHARC para avaliação de tecnologias full duplex. Inicialmente, a metodologia de simulação é descrita, seguida por uma avaliação da viabilidade do full duplex, de forma a se levantar os cenários mais prováveis de implementação dessa tecnologia. Em seguida, os estudos de convivência são apresentados e os níveis de interferência estimados em simulação são avaliados perante os critérios de proteção dos sistemas interferidos. Conclui-se que o IMT-2020 pode compartilhar as faixas de frequência supracitadas, desde que algumas restrições sejam impostas. Distâncias de separação entre as redes IMT e as estações terrestres do serviço de satélite fixo e as estações de radioastronomia devem ser empregadas. Mais do que isso, quando operando em ambientes indoor, o IMT-2020 pode utilizar as mesmas faixas de frequência que o terminal de usuário do serviço de satélite fixo, desde que alguma medidas de coordenação simples sejam empregadas. Por fim, a estação espacial do serviço de satélite fixo estará protegida de interferência em todos os casos simulados. Vários dos resultados apresentados aqui foram submetidos à UIT, e fazem parte dos textos preparatórios para a WRC. Junto com centenas de outros estudos, eles serão utilizados como base para se criar regulamentações de validade global, e ajudarão agências regulatórias do mundo todo a tomar decisões técnicas específicas para a realidade de cada país. Além disso, no conhecimento do autor, estudos de convivência do IMT-2020 operando em full duplex com outros sistemas não estão presentes na literatura. Nesse sentido, este trabalho apresenta contribuições pioneiras que aprofundam a discussão sobre a viabilidade dessa tecnologia.Projections estimate that global mobile data traffic may reach 57 exabytes by 2020, followed by a exponential growth in subsequent years. More than that, the number and density of mobile network users may also increase significantly, once smartphones and wireless devices are becoming more and more popular. Since fourth generation mobile communications systems are not equipped to deal with this demand, the International Telecommunications Union has standardized IMT- 2020 (International Mobile Telecommunications 2020) as the set of fifth generation technologies for mobile communications networks beyond 2020. IMT-2020 will also operate in frequency bands beyond 20 GHz, known as millimeter-wave bands. From the bands being studied as possible allocations for IMT-2020, the 27-27.5 GHz and the 37-42.5 GHz bands are identified to the fixed-satellite service, for example, and the 42.5-43.5 GHz band is identified to the radio-astronomy service. Any identification of these bands for IMT- 2020 needs to take place upon the realization of frequency sharing studies that show that the new service will not cause harmful interference to existing services. Such studies are even more relevant in 2019, when the World Radio Conference will happen. In it, the International Telecommunications Union will host debates and discussions with the goal or revising and reviewing the radio regulations for the incoming years. Because of that, the event’s agenda already includes debates around the frequency allocations for IMT-2020, based on sharing studies submitted by member states and guests. In order to contribute actively with the studies, the Brazilian National Telecommunications Agency has been developing, together with partners from academia and industry, the SHARC simulator, for sharing and compatibility analysis. One of the technologies that might be a part of IMT-2020 is Full Duplex, by which stations can transmit and receive data at the same time in the same frequency band. This technology was considered infeasible for a long time, due to the self-interference that the full duplex station’s transmission causes to the signal it receives. Recent advances in electronics, however, have made available self-interference cancellation techniques that allow the implementation of an operational full duplex node. Another challenge introduced by full duplex is the higher systemic interference it introduces, either to the cellular network or to systems operating on its frequency band. Since it is probable that IMT-2020 will share spectrum with other services, this extra interference introduced by full duplex might be harmful to other systems. Thus, this work presents frequency sharing studies between IMT-2020 and the systems cited above. These studies were performed with the FD-SHARC simulation tool, a fork of the SHARC simulator for analysis of full duplex technologies. The simulation methodology is described, followed by a feasibility analysis of full duplex technologies, so to define the scenarios in which this technology is more probable to be implemented. After that, sharing studies are presented and the interference levels estimated in the simulations are evaluated against the protection criteria of the interfered-with systems. The study concludes that IMT-2020 can indeed share the frequency bands mentioned, as long as some restrictions are imposed. Separation distances between the IMT networks and the earth stations of the fixed-satellite service and radio-astronomy stations must be established. Besides, when operating indoors, IMT-2020 can use the same frequency as the fixed-satellite service user terminal, as long as some simple coordination measures are employed. Finally, the space station of the fixed-satellite system is protected from interference in all the simulated cases. Many of the results presented here were submitted to the International Telecommunications Union and are part of the preparatory texts for the World Radio Conference. Together with hundreds of other studies, they will be used as basis for the creation of regulations of worldwide scope and will help regulatory agencies around the world take technical and country-specific decisions. Furthermore, in the best knowledge of the author, sharing studies between IMT-2020 operating in full duplex and other systems are not present in the literature. In that sense, this work presents novel contributions that deepen the discussion about the feasibility of this technology

Wideband Spectrum Sensing for Dynamic Spectrum Sharing

The proliferation of wireless devices grows exponentially, demanding more and more data communication capacity over wireless links. Radio spectrum is a scarce resource, and traditional wireless networks deployed by Mobile Network Operators (MNO) are based on an exclusive spectrum band allocation. However, underutilization of some licensed bands in time and geographic domains has been reported, especially in rural areas or areas away from high population density zones. This coexistence of increasingly high data communication needs and spectrum underutilization is an incomprehensible scenario. A more rational and efficient use of the spectrum is the possibility of Licensed Users (known as Primary Users – PU) to lease the spectrum, when not in use, to Unlicensed Users (known as Secondary Users – SU), or allowing the SU to opportunistically use the spectrum after sensing and verifying that the PU is idle. In this latter case, the SU must stop transmitting when the PU becomes active. This thesis addresses the spectrum sensing task, which is essential to provide dynamic spectrum sharing between PUs and SUs. We show that the Spectral Correlation Function (SCF) and the Spectral Coherence Function (SCoF) can provide a robust signal detection algorithm by exploiting the cyclostationary characteristics of the data communication signal. We enhance the most used algorithm to compute de SCF - the FAM (FFT Accumulation Method) algorithm – to efficiently compute the SCF in a local/zoomed region of the support ( ; ) plane (frequency/cycle frequency plane). This will provide the quick identification of spectral bands in use by PUs or free, in a wideband sampling scenario. Further, the characterization of the probability density of the estimates of the SCF and SCoF when only noise is present, using the FAM algorithm, will allow the definition of an adaptive threshold to develop a blind (with respect to the noise statistics) Constant False Alarm Rate (CFAR) detector (using the SCoF) and also a CFAR and a Constant Detection Rate (CDR) detector when that characterization is used to obtain an estimate of the background noise variance (using the SCF).A proliferação de dispositivos sem fios cresce de forma exponencial, exigindo cada vez mais capacidade de comunicação de dados através de ligações sem fios. O espectro radioelétrico é um recurso escasso, e as redes sem fios tradicionais implantadas pelos Operadores de Redes Móveis baseiam-se numa atribuição exclusiva de bandas do espectro. No entanto, tem sido relatada a subutilização de algumas bandas licenciadas quer ao longo do tempo, quer na sua localização geográfica, especialmente em áreas rurais, e em áreas longe de zonas de elevada densidade populacional. A coexistência da necessidade cada vez maior de comunicação de dados, e a subutilização do espectro é um cenário incompreensível. Uma utilização mais racional e eficiente do espectro pressupõe a possibilidade dos Utilizadores Licenciados (conhecidos como Utilizadores Primários – Primary Users - PU) alugarem o espectro, quando este não está a ser utilizado, a Utilizadores Não Licenciados (conhecidos como Utilizadores Secundários – Secondary Users - SU), ou permitir ao SU utilizar oportunisticamente o espectro após a deteção e verificação de que o PU está inativo. Neste último caso, o SU deverá parar de transmitir quando o PU ficar ativo. Nesta tese é abordada a tarefa de deteção espectral, que é essencial para proporcionar a partilha dinâmica do espectro entre PUs e SUs. Mostra-se que a Função de Correlação Espectral (Spectral Correlation Function - SCF) e a Função de Coerência Espectral (Spectral Coherence Function - SCoF) permitem o desenvolvimento de um algoritmo robusto de deteção de sinal, explorando as características ciclo-estacionárias dos sinais de comunicação de dados. Propõe-se uma melhoria ao algoritmo mais utilizado para cálculo da SCF – o método FAM (FFT Accumulation Method) - para permitir o cálculo mais eficiente da SCF numa região local/ampliada do plano de suporte / (plano de frequência/frequência de ciclo). Esta melhoria permite a identificação rápida de bandas espectrais em uso por PUs ou livres, num cenário de amostragem de banda larga. Adicionalmente, é feita a caracterização da densidade de probabilidade das estimativas da SCF e SCoF quando apenas o ruído está presente, o que permite a definição de um limiar adaptativo, para desenvolver um detetor de Taxa de Falso Alarme Constante (Constant False Alarm Rate – CFAR) sem conhecimento do ruído de fundo (usando a SCoF) e também um detetor CFAR e Taxa de Deteção Constante (Constant Detection Rate – CDR), quando se utiliza aquela caracterização para obter uma estimativa da variância do ruído de fundo (usando a SCF)