Frequency Division Multiplexing Allows for mulFple devices - PDF document

10/1/15 ¡ Clearing ¡the ¡RF ¡Smog: ¡Making ¡ 802.11 ¡Robust ¡to ¡Cross-­‑ Technology ¡Interference ¡ Author(s): ¡Gollakota ¡et ¡al. ¡Sigcomm ¡2011 ¡ Presenter: ¡Sean ¡Sanders ¡ Date: ¡September ¡24, ¡2015 ¡ Frequency ¡Division ¡ Multiplexing ¡ • Allows ¡for ¡mulFple ¡devices ¡to ¡transmit ¡simultaneously ¡by ¡ sending ¡signals ¡at ¡different ¡frequencies: ¡ 1 ¡

10/1/15 ¡ Frequency ¡Reuse: ¡Radio ¡ Frequency ¡Reuse: ¡Television ¡ 2 ¡

10/1/15 ¡ Problems ¡with ¡Frequency ¡ Spectrum ¡Reuse ¡in ¡the ¡Home ¡ • Many ¡home ¡uFlize ¡mulFple ¡wireless ¡technologies ¡that ¡may ¡ overlap ¡with ¡the ¡same ¡frequency ¡spectrum ¡ • Cordless ¡phone ¡ • Microwave ¡oven ¡ • Bluetooth ¡devices ¡ • Baby ¡Monitor ¡ • WiFi ¡ • Industrial, ¡scienFfic, ¡and ¡medical ¡radio ¡bands ¡(ISM) ¡– ¡ 2.4-­‑5.0GHz ¡ • Consequences ¡ • Interference ¡between ¡different ¡technologies ¡ • Failures ¡in ¡TDM, ¡FDM, ¡and ¡SDM ¡ • Devices ¡do ¡not ¡work ¡well ¡together ¡ Contribution ¡of ¡this ¡paper ¡ • Scenario: ¡ 802.11n ¡is ¡subject ¡to ¡cross-­‑technology ¡interference ¡ within ¡the ¡home. ¡ Complete ¡loss ¡of ¡communica0on. ¡ • Baby ¡Monitors ¡ • Cordless ¡phones ¡ • Microwave ¡oven ¡ • Bluetooth ¡CommunicaFon ¡ • Propose ¡TIMO: ¡ Method ¡to ¡allow ¡802.11n ¡devices ¡to ¡transmit ¡ in ¡the ¡presence ¡of ¡interference. ¡ • Result: ¡ Increase ¡802.11n ¡throughput ¡substanFally ¡(from ¡ nothing ¡to ¡normal) ¡while ¡coexisFng ¡with ¡other ¡technology. ¡ 3 ¡

10/1/15 ¡ Outline ¡ • 802.11 ¡Overview ¡ • MoFvaFon: ¡Empirical ¡Evidence ¡of ¡Interference ¡ • TIMO ¡ • Math/Theory ¡ • System ¡Overview ¡ • Performance ¡EvaluaFon ¡ • Conclusion/Discussion ¡ 802.11 ¡Overview ¡ • Physical ¡and ¡ Link ¡Layer ¡specificaFons ¡for ¡Wireless ¡LAN ¡ communicaFons ¡(WiFi) ¡ • Half ¡duplex ¡wireless ¡transmission ¡over ¡the ¡air ¡ • Mul>ple ¡versions : ¡ • 802.11b, ¡and ¡802.11g ¡operate ¡on ¡2.4GHz ¡band: ¡20MHz ¡Channel ¡ • 802.11n ¡(focus ¡of ¡this ¡paper): ¡2.4/5GHz ¡band ¡that ¡uses ¡MulFple ¡ Input ¡MulFple ¡Output(MIMO) ¡technology ¡ • MulFple ¡Antennas ¡(Space ¡division ¡mulFplexing ¡(SDM) ¡to ¡increase ¡ bandwidth) ¡ ¡ 4 ¡

10/1/15 ¡ Severity ¡of ¡Cross-­‑Technology ¡ Interference ¡ • Experimental ¡Setup ¡(cordless ¡phone, ¡baby ¡monitor, ¡ microwave ¡oven, ¡bluetooth) ¡ • A ¡(802.11n ¡transmi_er) ¡ • B ¡(802.11n ¡receiver) ¡ • Numbers ¡(Interferer ¡LocaFon) ¡ Severity ¡of ¡Cross-­‑Technology ¡ Interference ¡– ¡Cordless ¡Phone ¡ ¡ Complete ¡loss ¡of ¡ transmission ¡by ¡ 802.11n ¡ ¡ NO ¡THROUGHPUT!! ¡ Cordless ¡phone ¡use ¡ Fme ¡division ¡ mulFplexing ¡at ¡high ¡ power! ¡ 5 ¡

10/1/15 ¡ Severity ¡of ¡Cross-­‑Technology ¡ Interference ¡– ¡Baby ¡Monitor ¡ ¡ NO ¡THROUGHPUT!! ¡ Baby ¡ ¡monitor ¡ transmits ¡video ¡in ¡a ¡ single ¡direcFon ¡ consistently ¡at ¡high ¡ power! ¡ Severity ¡of ¡Cross-­‑Technology ¡ Interference ¡– ¡Microwave ¡ ¡ Reduced ¡ Throughput!! ¡ Microwaves ¡cyclic ¡ power/energy ¡ cycles ¡allows ¡for ¡ more ¡some ¡ communicaFon ¡by ¡ 802.11 ¡nodes ¡ 6 ¡

10/1/15 ¡ Severity ¡of ¡Cross-­‑Technology ¡ Interference ¡– ¡Bluetooth ¡ ¡ Negligible ¡Interference ¡ ¡with ¡802.11!! ¡ ¡ ¡ Likely ¡the ¡result ¡of ¡ using ¡low ¡power ¡ transmission ¡and ¡ Frequency ¡hopping ¡ Decoding ¡in ¡2-­‑by-­‑2 ¡MIMO ¡ System ¡ s i ¡signal ¡sent ¡ from ¡antenna ¡ i ¡ y i ¡signal ¡ received ¡from ¡ antenna ¡ i ¡ h ij ¡channel ¡ coefficients ¡on ¡ path ¡from ¡antenna ¡ i ¡to ¡j ¡ ¡ If ¡you ¡know ¡h ij (PHY ¡layer) ¡you ¡can ¡decode ¡s 1 ¡and ¡s 2 ¡ ¡ 7 ¡

10/1/15 ¡ TIMO: ¡The ¡Math ¡ Wide-­‑band ¡signals ¡requires ¡ ConvoluFon, ¡not ¡mulFplicaFon ¡ Purpose: ¡ Decode ¡S(t) ¡at ¡the ¡receiver ¡ S(t): ¡signal ¡of ¡ interest ¡ Y(t): ¡received ¡ signal ¡ I(t): ¡ interference ¡ signal ¡ Hi: ¡Interference ¡channel ¡ Hs: ¡Signal ¡of ¡interest ¡channel ¡ TIMO: ¡The ¡Math ¡(Compute ¡ B j ) ¡ Purpose: ¡ Decode ¡S(t) ¡at ¡the ¡receiver ¡ MulFply ¡by ¡known ¡signal ¡raFo ¡and ¡subtract ¡received ¡signals ¡ 8 ¡

10/1/15 ¡ TIMO: ¡The ¡Math ¡(Compute ¡ B j ) ¡ MulFply ¡by ¡conjugate ¡of ¡received ¡signal ¡on ¡antenna ¡2 ¡and ¡ ¡ take ¡ExpectaFon ¡ TIMO: ¡The ¡Math ¡(Compute ¡ B j ) ¡ Calculate ¡Power ¡of ¡interference ¡signal ¡ Merge ¡EquaFons ¡to ¡compute ¡ B j ¡ 9 ¡

10/1/15 ¡ Must ¡Deal ¡with ¡Inter-­‑Symbol ¡ Interference ¡(ISI) ¡ ¡ Inter-­‑symbol ¡Interference ¡results ¡from ¡mulFpath ¡effects ¡ (signal ¡travels ¡from ¡sender ¡to ¡receiver ¡along ¡mulFple ¡paths) ¡ ¡ ¡ Basically, ¡the ¡interference ¡signal ¡will ¡experience ¡ISI ¡in ¡the ¡ frequency ¡domain. ¡AddiFonal ¡noise ¡hurts ¡SNR ¡and ¡impacts ¡ throughput. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Eliminate ¡i(t) ¡altogether ¡ ¡ Iterating ¡to ¡Increase ¡Accuracy ¡ • Problem: ¡CompuFng ¡expectaFons ¡by ¡taking ¡averages ¡over ¡ mulFple ¡OFDM ¡symbols ¡to ¡help ¡esFmate ¡Channel ¡RaFo, ¡ B j ¡ • May ¡not ¡be ¡able ¡to ¡obtain ¡many ¡OFDM ¡symbols ¡ • Need ¡to ¡sFll ¡compute ¡accurate ¡ B j ¡ ¡ • Step ¡1: ¡Compute ¡Bj ¡as ¡you ¡normally ¡would ¡and ¡decode ¡s(t) ¡ • Step ¡2: ¡Remodulate ¡s(t) ¡to ¡obtain ¡new ¡signal ¡s^(t) ¡ • Repeat ¡ • Use ¡new ¡ B j ¡ 10 ¡

10/1/15 ¡ Summary: ¡TIMO ¡ • Purpose: ¡Eliminate ¡Interference ¡noise ¡ • 802.11n ¡takes ¡received ¡signal ¡to ¡frequency ¡domain ¡to ¡ compute ¡interference ¡channel ¡raFos ¡ • Transforms ¡interference ¡channel ¡raFo ¡to ¡Fme ¡domain ¡filter ¡ using ¡Inverse ¡Fast ¡Fourier ¡Transform ¡(IFFT) ¡ • Use ¡Fme ¡domain ¡filter ¡to ¡remove ¡interference ¡ • Receiver ¡can ¡now ¡decode ¡the ¡signal ¡of ¡interest ¡ • Use ¡Interference ¡nulling ¡to ¡allow ¡compeFng ¡technology ¡to ¡ communicate ¡(similar ¡idea ¡as ¡above) ¡ • Implementa>on: ¡ Built ¡prototype ¡of ¡TIMO ¡using ¡USRP2 ¡radio ¡ plaiorm ¡and ¡the ¡GNURadio ¡sojware ¡package. ¡ Detecting ¡Interference ¡ ¡ • Only ¡need ¡to ¡compute ¡channel ¡raFo ¡when ¡there ¡is ¡ interference ¡ ¡ • Use ¡presence ¡of ¡soj ¡errors ¡at ¡Physical(PHY) ¡layer ¡for ¡this ¡ ¡ ¡ 11 ¡

10/1/15 ¡ Performance ¡Evaluation ¡ • Same ¡experimental ¡environment ¡as ¡moFvaFon ¡ • Source ¡of ¡Interference ¡(Cordless ¡phone, ¡Baby ¡monitor, ¡ Microwave ¡oven, ¡Bluetooth) ¡ • Evaluate ¡ • Throughput ¡of ¡802.11n ¡with ¡and ¡without ¡TIMO ¡ • Impact ¡of ¡TIMO ¡on ¡the ¡source ¡of ¡interference ¡(coexist ¡with ¡ different ¡technology) ¡ • Carrier ¡sense ¡disabled ¡ ¡ Performance ¡Evaluation-­‑ ¡ Cordless ¡Phone ¡ ¡ ¡ TIMO ¡achieves ¡high ¡ throughput ¡with ¡ cordless ¡phone. ¡ ¡ ¡ ¡ Cordless ¡phone ¡has ¡ low ¡loss ¡rate. ¡ 12 ¡

10/1/15 ¡ Performance ¡Evaluation ¡-­‑ ¡Baby ¡ Monitor ¡ ¡ ¡ TIMO ¡achieves ¡high ¡ throughput ¡with ¡ baby ¡monitor. ¡ ¡ ¡ ¡ Baby ¡monitor ¡can ¡ also ¡receive ¡signals ¡ that ¡are ¡watchable ¡ (PSNR>20) ¡ Performance ¡Evaluation ¡– ¡ Multiple ¡Technologies ¡ ¡ ¡ 3 ¡technologies ¡ transmilng ¡all ¡ perform ¡be_er ¡with ¡ ¡ TIMO ¡enabled ¡ ¡ 13 ¡