1. INTRODUCCIÓN

La parte no utilizada del espectro UHF, conocido popularmente como "espacios en blanco", representan una nueva frontera para las redes inalámbricas,ofreciendo la posibilidad

de un ancho de banda considerable compaginado con grandes distancias de transmisión.

Estos espacios en blanco  van desde los 180 MHz de ancho de banda disponible en el canal 21 (512 MHz) a 51 (698 MHz), con la excepción del canal 37.

El 4 de noviembre de 2008 la FCC permitió una decisión histórica dejando emitir sin licencia y con cualquier dispositivo en estos espacios en blanco. En su su decisión  la FCC impuso un requisito importante, que los dispositivos

inalámbricos que utlicen el espacio en blanco no deben interferir con tecnologías anteriores, incluyendo las emisiones de TV y las transmisiones de micrófonos inalámbricos.

Esta sentencia fue resultado de extensas pruebas realizadas por la FCC en el espacio en blanco con prototipos de hardware que se presentaron por Adaptrum, Microsoft, Philips y Motorola.

Estos prototipos demostraron soluciones viables para  una correcta y ágil detección de la señal.

La mayoría de las investigaciones previas en los espacios en blanco UHF se ha centrado en la detección precisa de la presencia de señales de RF.  Recientemente, los investigadores han empezando a ver el problema de

establecer un enlace inalámbrico entre dispositivos de espacio en blanco.

Las investigaciones van más allá de un solo enlace. Identificamos los desafios de la formación de una red de espacios en blanco UHF y mostramos cómo superarlos mediante los algoritmos, protocolos y mediante

una extensa evaluación sobre una red prototipo así como con simulaciones.

Nos centramos principalmente en el problema de la creación de una red Wi-Fi la cual  consiste en un Punto de Acceso (AP) con varios clientes asociados. Dejamos de lado  el caso de la evaluación de puntos de acceso múltiples con

varios clientes como manera de trabajo (WDS u otras). Estas soluciones se complementan con la labor en curso en el estándar IEEE 802.22 (Wireless Regional Area Network (WRAN))

Para poder apreciar el problema de red, es importante entender las diferencias entre los espacios en blanco y las populares bandas ISM en las que los dispositivos Wi-Fi funcionan. En primer lugar, en ambas bandas existe

variación espacial dentro del  espectro habilitado, pero el impacto de esta variación es mayor en los espacios en blanco que en las bandas ISM. Esto se debe a la decisión de la FCC, la cual requiere que no haya interferencias

con las transmisiones inalámbricas de los  usuarios.

En segundo lugar, como los usuarios pueden operar en cualquier porción de los espacios en blanco, la red debe ser diseñada para manejar una  fragmentación del espectro, con la posibilidad de que cada fragmento tenga

diferente anchura.

La anchura de un Canal de UHF es limitada (6 ​​MHz de ancho en los EE.UU.),  y la investigación anterior ha demostrado que la agregación de canales contiguos mejora el rendimiento . En consecuencia, la red debe

ser compatible con los canales de ancho variable.

En tercer lugar, las transmisiones  RF en los espacios en blanco están sujetas a variaciones en el tiempo, porque los micrófonos inalámbricos pueden activarse en cualquier momento sin previo aviso.

Las simulaciones muestran que incluso un solo paquete de transmisión provoca interferencias audibles durante las transmisiones de un micrófono inalámbrico. En consecuencia,  tanto el AP como sus

clientes debe desconectar y volver a rápidamente volver a conectar con un canal diferente  que esté disponible.

Se ha construido una red  inalambrica WhiteFi, con los espacios en blanco de UHF que es adaptativa  y se configura para operar en la parte más eficiente de los los espacios en blanco disponibles. En las

secciones siguientes se describen tres innovaciones importantes que  permitieron superar los desafíos en dispositivos de red de espacios en blanco. En pocas palabras, las mejoras son:

• Un nuevo algoritmo de asignación al espectro para la gestión de

comunicaciones variables de banda ancha. Este algoritmo es único en la

manera de abordar el doble desafío de la variación espacial de espectro disponible y la fragmentación del espectro. Se introducen

nuevas métricas que aprovechan las mediciones de tiempo disponible en el aire

de cada canal UHF disponible para predecir el tiempo en el aire disponible cuando se utiliza múltiples canales.

FIGURA1: Mapa de la localización de construcciones  donde se ha medido el espectro UHF

• Un nuevo  mecanismo para el descubrimiento de APs. Estos puntos de acceso podrían estar utilizando cualquier amplitud de canal disponible y podrían ser operativo en cualquier  parte de

los amplios 180 MHz de los espacios en blanco.

Se ha diseñado una nueva técnica llamada SIFT, que es la abreviatura de Interpretación de señales antes de la Transformada de Fourier.

SIFT análiza las señales entrantes, en el dominio del tiempo para detectar transmisiones sobre diferentes  ampitudes  de  los canales sin cambiar la amplitud del cauce de la

tarjeta inalámbrica. Se supera así la limitación de la base con los enfoques anteriores donde que sólo puede detectar paquetes enviados en el mismo ancho de canal.

• Un nuevo método para el manejo de las desconexiones. Las desconexiones inesperadas son un resultado directo de las variaciones temporales descritas antes. la utlización de SIFT reduce

significativamente ltiempo para descubrir puntos de acceso que  han cambiado a una parte diferente del del espectro , además  se ha diseñado un nuevo mecanismo de señalización que permite

a los clientes hasta la señal de desconexión en el AP, sin interferir con las transmisiones en curso  de micrófonos inalámbricos.

Nosotros Hemos implementado WhiteFi en una  plataforma llamada Knows [20], un prototipo de hardware para redes de espacios en blanco. Esta plataforma  incorpora una tarjeta Wi-Fi, un

convertidor de banda UHF, y un software definido de radio (SRD), (Universal Software Radio Peripheral: http://www.ettus.com/).

Utilizamos la plataforma KNOWS para evaluar exhaustivamente la calidad y el rendimiento de nuestras innovaciones y diseño en WhiteFi, donde WhiteFi es el primer prototipo de  red que demuestra la viabilidad del Wi-Fi

como la creación de redes sobre los espacios en blanco de UHF.

2. Caracterización de los espacios en blanco

En esta sección, se discuten las diferencias entre el espectro de espacios en blanco UHF  y las bandas ISM donde funcionan  los sistemas actuales  Wi-Fi.

Para entender las diferencias, se realizó un conjunto de  medidas del mundo real en las bandas UHF con varias configuraciónes para caracterizar la variación espacial y temporal.

También  se analizaron los datos de la asignación del espectro los canales publicos de  TV para entender la distribución del uso del espectro UHF en las zonas urbanas, suburbanas

y rurales en los Estados Unidos donde se describe cada uno de estas características teniendo un impacto sustancial en el diseño de una red inalambrica sobre los  espacios en blanco UHF.

2.1 La variación espacial

Las cadenas de televisión representan el mayor uso del espectro UHF . En un área amplia, el conjunto de los canales de televisión ocupados

depende de la ubicación de los transmisores de televisión, así como el número de estaciones que operan en la zona. Sin embargo, la variación espacial

existe  en menor escala también con base en los obstáculos y en el material de construcción.

Los micrófonos inalámbricos, que se utilizan en entornos que van desde salas de conferencias a pequeña escala a gran escala, de música y

eventos deportivos, tienen un alcance típico de transmisión de unos pocos cientos de metros [16]. Por estas razones, esperamos importantes variaciones espaciales

en la disponibilidad de espectro para las comunicaciones de red inalámbrica.

Para cuantificar esta variación, se realizaron mediciones el espectro UHF dentro de nueve edificios en el campus el cual abarca un área

de aproximadamente 0.9 km x 0.2 km, como se muestra en la Figura 1. Tenga en cuenta este

área entera podría ser cubierta por un único emisor UHF posicionado adecuadamente.

FIGURA 2: fragmentación del espectro esperado después de la transición DTV EE.UU.

en junio de 2009. Las regiones rurales y suburbanas muestran un

grado mucho menor de la fragmentación y espectro más contiguos en las áreas urbanas.

Un Access Point (AP) que utlice espacio en blanco, donde  los rangos de comunicación se espera que exceda de 1 km [2]. Hemos calculado la distancia Hamming,

que se define como el número de canales disponibles en un solo lugar, pero  que no está disponible en otro, en todos los edificios adosados. Nuestros resultados mostraron que la

media del número de canales disponibles en un momento dado, pero no estando disponible en otro se encuentra cercano al 7. Esta estadística revela una variación significativa en

disponibilidad de espectro dentro de los edificios cercanos. Aunque la mayoría de operadores  detectados en estas mediciones fueron los canales de televisión, también

encontraron unos pocos micrófonos inalámbricos.

La implicación de esta variación espacial de una red inalámbrica de espacio en blanco es que un punto de acceso (un router inalámbrico en casa, por ejemplo)

a propósito seleccione el canal (s) para operar en base únicamente en su propia observación local de la disponibilidad de espectro. El AP debe tener

en cuenta la disponibilidad del espectro radioeléctrico para sus clientes también.