Extended Summary of "SAM: Enabling Practical Spatial Multiple Access in Wireless LAN"

1. Universit`a degli Studi di Trieste
Dipartimento di Ingegneria e
Architettura
Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica e Informatica
Curriculum Elettronica
SAM: Abilitazione Pratica
dell’Accesso Spaziale Multiplo
nelle Wireless LAN
Laureando Relatore
Carlo Podbersig Prof. Massimiliano Comisso
Anno accademico 2019-2020

2. 1 Introduzione
Il presente lavoro `e basato sull’ articolo ”SAM: Enabling Practical Spatial Mul-
tiple Access in Wireless LAN” di K. Tan, H. Liu, J. Fang, W. Wang, J. Zhang,
M. Chen, e G.M. Voelker.
Il costante incremento del flusso di dati che transitano attraverso dispositivi
elettronici e reti wireless porta, inevitabilmente, all’ideazione e sviluppo di nuo-
ve tecniche e tecnologie, l’accesso spaziale multiplo `e una di queste. Nel corso
dell’articolo viene presentato ed implementato SAM, un sistema pratico che abi-
lita l’accesso spaziale multiplo per l’uplink di traffico in ambienti non controllati
come le wireless LAN (Local Area Network). Dunque viene introdotto il sistema
Multiple-Input Multiple-Output (MIMO), tecnologia base per l’aumento della
capacit`a di rete che sfrutta le propriet`a spaziali del canale wireless.
Sta1
AP
Sta2 Sta3
Sta4
Sta1
AP
Sta2 Sta3
Sta4
(a) (b)
Figura 1: (a) MIMO (b) “virtual MIMO”
La MIMO a singolo utente ha grosse limitazioni come si vede in Figura 1(a),
il numero di trasmissioni tra MobileStation (MS) ed AccessPoint (AP) `e con-
tingentato dal numero di antenne al trasmettitore o al ricevitore, due in questo
caso. Grazie a precedenti risultati della teoria dell’informazione [1], `e possibile
formare una ”virtual MIMO” Figura 1(b), in cui le stazioni trasmettono simulta-
neamente. Le trasmissioni contemporanee sono limitate unicamente dal numero,
generalmente elevato, di antenne dell’AP. Tuttavia non `e semplice implementare
questa tecnologia in una wireless LAN per la mancanza di un protocollo MAC
(Medium Access Control) che gestisca gli accessi simultanei e per lo sfasamento
del symbol timing e del carrier frequency tra diverse stazioni. Per risolvere que-
sti problemi verranno implementate due tecniche: una decodifica a catena per
trasmissioni contemporanee da mittenti asincroni ed un nuovo protocollo MAC
Carrier Counting Multiple Access per l’accesso spaziale multiplo.
2 Aspetti problematici
Nella comunicazione digitale, un segnale a banda base `e rappresentato da una
serie di numeri complessi chiamati simboli. Per la trasmissione del segnale, i
simboli x[n] vengono convertiti in analogico, moltiplicati per un segnale con
2

3. elevata frequenza portante h[n] e trasmessi attraverso un’antenna. Al ricevitore
giunge un segnale y[n] alterato dal rumore w[n]:
y[n] = h[n]x[n] + w[n] (1)
esso viene separato dalla portante e digitalizzato. Per recuperare il segnale
originale x[n] da quello distorto y[n], il ricevitore deve conoscere accuratamente
tre parametri del canale wireless:
• punti di campionamento ideali in cui l’inter-symbol interference ISI, ovvero
l’interferenza dovuta agli effetti Doppler e di propagazione, `e minima;
• offset della frequenza portante, dovuto alle incertezze intrinseche degli
oscillatori a cristallo, poich´e piccole variazioni della fase, sommate nel
tempo, possono portare ad errori di decodifica;
• affievolimento del segnale, che, seguendo percorsi multipli, arriva a desti-
nazione sotto forma di repliche pi`u o meno fedeli.
Diversi sistemi wireless adottano uno schema di auto-addestramento, antepo-
nendo ad ogni trasmissione dati, un preambolo; esso contiene simboli di appren-
dimento noti e permette al ricevitore di stimare i parametri del canale wireless.
In un ambiente in cui le antenne sono distribuite e le stazioni sono indipendenti
(virtual MIMO), non `e pi`u assicurata una trasmissione del preambolo priva di
interferenze, si ha cos`ı una conseguente diminuzione dell’accuratezza della sti-
ma del canale. Inoltre le antenne trasmittenti, localizzate su diverse MS, non
sono pi`u guidate dallo stesso oscillatore ed i segnali possono presentare piccoli
sfasamenti. Perci`o non esisteranno pi`u punti di campionamento ideali in cui le
interferenze ISI sono minime.
3 Decodifica a catena
Nelle trasmissioni simultanee, i frame possono risultare quasi interamente so-
vrapposti, SAM `e in grado di gestire questi eventi grazie ad una tecnica di
decodifica chiamata “decodifica a catena”. L’esempio pi`u semplice `e dato dalla
trasmissione contemporanea di due stazioni. L’AP grazie alle due antenne rice-
ve due diversi segnali, ognuno di essi contiene entrambi i frame Pa e Pb, per
decodificarli sfrutta due tecniche per la riduzione delle interferenze.
• Interference Nullifying (IN) azzera il segnale di Pa ottenendo un segnale
contenente solo Pb pronto per la decodifica.
• Interference Cancellation (IC) viceversa, ricodifica Pb e lo sottrae al se-
gnale originale ottenendo Pa.
3

4. Interference Nullifying
Come mostrato in Figura 2 (a), il segnale ricevuto yi pu`o essere rappresentato
in forma vettoriale attraverso la somma dei due segnali distorti x1 e x2. Dopo-
dich´e, la componente x1 dei due segnali viene scalata ed allineata, Figura 2 (b).
Attraverso la sottrazione, il segnale x1 viene completamente rimosso. Si ottiene
cos`ı un nuovo segnale y3 pronto per la decodifica, Figura 2 (c), esso conterr`a solo
x2, ovvero Pb. Nella manipolazione del segnale, ricopre un ruolo fondamentale
l’equalizzatore che rimuove le distorsioni dovute ai vari cammini. L’IN, oltre
a ridurre l’interferenza, potrebbe ridurre anche la potenza se i segnali intera-
giscono tra loro con una dinamica distruttiva, causando diverse cancellazioni.
Quest’evento ha modeste probabilit`a di verificarsi ma comporta comunque un
aumento del loss rate (<10%). Dopo l’applicazione di IN, il preambolo di Pb
risulta privo dell’interferenza dovuta a Pa, dunque l’intero frame `e pronto per
essere decodificato.
h11x1
h12x2
y1
y2
h21x1
h22x2
R2h22x2
R2y2
R2h21x1
R1h12x2
R1y1
R1h11x1
y3
R2h22x2
R2h22x2
(a) (b) (c)
Figura 2: Interference Nullifying
Interference Cancellation
Decodificato Pb, viene ricodificato e rimosso dal segnale originale per ottenere
un segnale residuo contenete solo Pa. Per rimuovere Pb, l’AP deve rigenerare la
serie di campioni con lo stesso sfasamento causato dall’offset di campionamento,
dall’offset della frequenza portante e dalle distorsioni. Per estendere la decodifi-
ca a catena al caso di N -antenne, l’AP applica ripetutamente IN fino a rimanere
con un unico segnale Pz, che verr`a poi decodificato e cancellato; ricorsivamente
tutti i frame verranno decodificati.
4

5. 4 Carrier Counting Multiple Access
Un’altra componente fondamentale per la realizzazione di SAM `e un nuovo
MAC, chiamato Carrier Counting Multiple Access (CCMA). Il CCMA si basa
sull’affidabilit`a del rilevamento del preambolo, da parte del ricevente, nonostan-
te sia sovrapposto a trasmissioni simultanee. I preamboli sono fissati e trasmessi
con una robusta modulazione. In Figura 3 si vedono chiaramente due picchi che
coincidono con l’inizio del frame, ci`o permette alle stazioni collegate di contare
i preamboli e quindi le trasmissioni in essere.
Figura 3: Rilevamento del preambolo
Per limitare il numero di trasmissioni simultanee, viene definita una soglia d’ac-
cesso K≤N dove N sono le antenne dell’AP. La soglia viene comunicata alle
stazioni alla prima interazione sul canale. Se il numero di trasmissioni K `e
minore o uguale a N, la stazione avr`a un’opportunit`a di trasmissione. Ogni sta-
zione ha un contatore, posto a zero quando viene rilevato un canale ozioso. La
stazione 1, dopo una prima contesa per l’opportunit`a di trasmissione, inizier`a
immediatamente a trasmettere e tutte le altre stazioni, rilevando il preambolo,
aumenteranno di 1 il proprio contatore. Cos`ı per ogni nuovo collegamento fino
ad arrivare a K stazioni collegate. L’AP, al termine del burst dati, trasmet-
ter`a un acknowledgement (ACK) a tutte le stazioni, le quali successivamente
attenderanno che il canale torni ozioso. Nel CCMA correntemente usato, viene
trasmesso un ACK unico per tutti i frame della trasmissione, ci`o `e adatto per
errori dovuti a collisioni ma non per quelli causati dal canale. Se la stazione
rileva energia dovuta alla trasmissione sul canale ma fallisce il rilevamento del
preambolo, si comporter`a in maniera conservativa aspettando che il canale torni
ozioso. Per dispositivi nascosti, l’impatto pu`o essere mitigato dalla decodifica
a catena, impostando una soglia K minore di quella reale, lasciando cos`ı un
margine per i terminali rimanenti.
5

6. 5 Implementazione
SAM `e stato implementato usando Sora [2], una piattaforma software radio ad
alte performance che fornisce un ambiente di sviluppo adatto all’implementazio-
ne e alla valutazione di sistemi wireless LAN. Su questa piattaforma troviamo
un sistema IEEE 802.11a/b/g PHY e CSMA MAC gi`a implementato, chiamato
softWifi. Inoltre sono stati aggiunti il CCMA e la decodifica a catena con IN
e IC che supportano rate di modulazione a 1, 2, 5.5 e 11Mbs. A causa delle
limitate disponibilit`a di Radio Frequency front-end sono state installate solo
due antenne nell’AP.
6 Valutazioni
SAM `e stato valutato grazie a Sora, svolgendo micro-benchmark sulle tre tecni-
che finora descritte. Il test `e stato svolto in un tipico ambiente di lavoro, usando
due Sora per l’AP ed altri due con CCMA per le MS; essi sono stati testati in
5 diverse posizioni all’interno di un ufficio. Per valutare le performance di IN
`e stato esaminato il rapporto Segnale Residuo pi`u Rumore su Rumore (RSNR)
con differenti settaggi di SNR (rapporto Segnale Rumore).
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 5 10 15 20 25
RSNR(dB)
SNR(dB)
Figura 4: Performance di Interference Nullifying
In Figura 4 si pu`o notare che IN ha rimosso una quantit`a significativa di in-
terferenza, l’RSNR `e di poco pi`u alto del rumore 0-2dB. Nei punti isolati, in
cui SNR risulta uguale a RSNR, l’algoritmo ha fallito la cancellazione dell’in-
terferenza. Nel 90% dei casi IN rimuove correttamente l’interferenza, solo nel
5% sono maggiori di 3dB. Successivamente `e stato valutato quanto l’algoritmo
IC possa migliorare il rapporto Segnale su Interferenza pi`u Rumore (SINR). In
Figura 5 troviamo sull’asse x i valori di SINR precedenti IC e sull’asse y quelli
successivi.
6

7. Figura 5: Performance di Interference Cancelation
´E evidente la riduzione di interferenza che porta ad un miglioramento del SINR,
quasi interamente contenuto nella fascia tra 6-17 dB. Lo studio condotto sul
CCMA suggerisce che anche per SINR molto bassi, la probabilit`a di non rilevare
un preambolo `e altrettanto bassa. Tuttavia, a circa -10dB, c’`e una modesta
probabilit`a di rilevare un preambolo che non `e avvenuto (falso positivo).
Infine `e stato valutato il throughput. Il miglioramento varia tra 31%-61% per
trasmissioni a 11Mbs e 45%-76% a 5.5Mbs. A modulazioni pi`u alte si hanno
piccole degradazioni a causa della durata del preambolo che va ad aumentare
l’overhead.
7 Conclusioni
Lo studio, svolto nel 2009, ha caratterizzato diverse tecniche innovative che,
nel corso del tempo, hanno fatto da riferimento ed esempio per nuovi saggi
sul tema. Oggigiorno, sono subentrate tecnologie pi`u rapide e sofisticate che
permetterebbero una migliore implementazione, tuttavia i problemi da risolvere
sono variati in scala ma non nella forma, permettendo alla base teorica di queste
tecniche di rimanere comunque valida.
Riferimenti bibliografici
[1] D. Tse and P. Vishwanath. Fundamentals of Wireless Communications.
Plenum Press New York and London, 2005.
[2] K. Tan, J. Zhang, J. Fang, H. Liu, Y. Ye, S. Wang, Y. Zhang, H. Wu, W.
Wang, and G. M. Voelker. Sora: High performance software radio using
general purpose multi-core processors. In NSDI 2009.
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