home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ QRZ! Ham Radio 1 / QRZ Ham Radio Callsign Database - December 1993.iso / ucsd / arrl / arrl_tar.z / arrl_tar / spectrum.Z / spectrum
Encoding:
Text File  |  1988-09-07  |  9.6 KB  |  244 lines

  1. .po 1i
  2. .sp 1i
  3. .ps 14p
  4. .vs 16p
  5. .ce
  6. .ft B
  7. Digital Radio Networks and Spectrum Management
  8.  
  9. .ps 12p
  10. .vs 14p
  11. .ce
  12. .ft R
  13. Paul A. Flaherty, N9FZX
  14.  
  15. .ps 10p
  16. .vs 11p
  17. .ce 4
  18. Computer Systems Laboratory \fIand\fR
  19. Space, Telecommunications, and Radioscience Laboratory
  20. Department of Electrical Engineering, Stanford University
  21. ERL 408A,  Stanford, CA 94305
  22.  
  23.  
  24.  
  25.  
  26. .ft B
  27. Abstract
  28. .ft R
  29.  
  30.     Spectrum Management is a vital part of amateur radio.  Questions
  31. of where to place services in the available spectrum continue
  32. to plague frequency coordinators.  This paper contends that
  33. multiaccess radio systems should be allocated in
  34. the spectrum below one GigaHertz, and that monoaccess or link
  35. oriented systems be placed above that frequency.
  36.  
  37.  
  38.  
  39. .2c
  40. .ft B
  41. Introduction
  42. .ft R
  43.  
  44.     Electromagnetic Spectrum is a scarce, sometimes renewable resource.
  45. Much of the research in radioscience today is devoted to spectrum - efficient
  46. methods of communication, including such mechanisms as amplitude - compandored
  47. sideband telephony, and minimal shift keying data transmission.  Only recently,
  48. however, has research touched on the area of spectrum reuse, and the impact
  49. of position within the radio spectrum considered.
  50.  
  51.     Propagation characteristics of certain bands make those spectra 
  52. valuable to classes of users.  Ionospheric propagation below 30 MHz makes
  53. the High Frequency bands valuable to the world community.  Small component
  54. size and portability are important to mobile users, and so the Very High
  55. and Ultra High bands play an important part in mobile communications.
  56.  
  57.     Beyond these characteristics, however, little can be generalized
  58. about the appropriate spectra for certain classes of applicants.  It is not
  59. readily apparent that one band should be preferred for multiaccess
  60. applications, and another for link - oriented systems.
  61.  
  62.     Packet Radio is considered to be a spectrally efficient mechanism
  63. for digital communications.  Using time - division techniques, several
  64. users may share spectrum without interference, if certain traffic characteristics
  65. hold, and if the network load is limited.  Techniques for time - sharing 
  66. spectrum abound, but all require some degree of omnidirectionality in
  67. the transmission or reception system, which is characteristic of all
  68. all multiaccess networks.
  69.  
  70.     Using packet switching techniques, it is possible to construct a
  71. link - oriented, or monoaccess network, which is functionally equivalent
  72. to a multiaccess network.  This duality can be exploited for networks with 
  73. fixed or portable stations.
  74.  
  75.     In a hierarchal networking architecture, the Terminal Network is 
  76. usually defined as that hierarchy or subnet which connects to end users.
  77. The telephone local loop plant, and radio repeaters are two examples of
  78. terminal networks.  This paper is primarily concerned with terminal networks,
  79. although many of the principles may apply elsewhere.
  80.  
  81. .ft B
  82. Synthesis
  83. .ft R
  84.  
  85.     The forward gain of a parabolic reflector antenna is given as:
  86.     
  87. .EQ C {Gain}
  88. G = eta pi sup 2 d sup 2 f sup 2 over C sup 2
  89. .EN
  90.  
  91.  
  92.     It is of no small consequence that the gain of a reasonably sized
  93. antenna increases dramatically with frequency; many digital satellite services
  94. exist explicitly because of this fact.
  95.  
  96.     For the purposes of discussion, a "reasonably sized" antenna is
  97. considered to be unity, or one meter in diameter, for terrestrial
  98. applications.  "Reasonable size" is often a matter of community tastes
  99. and economics; however, the one meter size covers a large portion of 
  100. of the contingencies.  Thus, the gain of reasonably sized antenna is:
  101.  
  102. .EQ C {Normal}
  103. G sub 0 = eta pi sup 2 f sup 2 over C sup 2
  104. .EN
  105.  
  106.     The half power beamwidth of a typical parabolic reflector is:
  107.  
  108. .EQ C {Degrees}
  109. A = 139 over sqrt G
  110. .EN
  111.  
  112.     
  113.  
  114.     Digital modulation schemes may be divided into two classes: orthogonal
  115. modulation techniques, such as phase shift keying, and antipodal modulation,
  116. such as amplitude or frequency shift keying.  In order to add another bit
  117. per symbol in  a constant - bandwidth channel, an increase in the signal - 
  118. to - noise ratio of 3 db is required for orthogonal modulation, and 6 db for
  119. antipodal systems.
  120.  
  121. .ft B
  122. Frequency Division Tradeoff
  123. .ft R
  124.  
  125.     The Frequency Division Tradeoff between multiaccess and monoaccess
  126. networks arises out of the increase in signal - to - noise ratio that 
  127. occurs with the use of directional radiators.  With the increase comes
  128. the ability to either multiply the bit rate, or divide the bandwidth to 
  129. obtain equivalent service.  Because antenna gain is tied integrally with
  130. frequency, the ability to fraction the bandwidth increases frequency, until
  131. a point is reached where each node occupies its own channel.  The transition
  132. from a multiaccess network to its monoaccess dual occurs at a certain
  133. Critical Frequency, which is determined in turn by channel access 
  134. technique, and network size.
  135.  
  136.     As an example, consider a terminal network of eight nodes, using a
  137. Carrier Sense - Multiple Access, and frequency shift keying, running at a 
  138. rate of 19.2 Kbps.  Assuming the best case for CSMA (no hidden nodes), the
  139. best aggregate throughput we can expect from such a network is about
  140. 10.6 Kbps.
  141.  
  142.     The dual of this network is a set of eight links connected to a 
  143. packet switch.  Again assuming the best case for CSMA, each user has access
  144. to a 19.2 Kbps data rate.  We wish to accomplish this transition using 
  145. equivalent power and bandwidth; therefore, we require an eightfold increase
  146. in the aggregate bit rate.  Assuming the use of n-ary frequency shift keying,
  147. this in turn requires an increase of 42 db in the signal - to - noise ratio.
  148. Such an increase can be obtained by a pair of one meter aperture antennas,
  149. operating at 1.5 GHz, using a 55% efficient feed.  The aggregate throughput for 
  150. this network is 153.6 Kbps, in the same bandwidth.
  151.  
  152.     In general, for a large class of terminal networks, the Critical
  153. Frequency lies around one GigaHertz.  The extent of the tradeoff is limited
  154. in practice by packet switching speeds, and the extensibility of multilevel
  155. modulation schemes.
  156.  
  157. .ft B
  158. Space Division Tradeoff
  159. .ft R
  160.  
  161.     The propagation characteristics of radio limit the spatial dimensions
  162. of any network.  However, it is often the case that the network itself 
  163. covers far less territory than the radio spectra used to service it.  This is
  164. particularly true with multiaccess networks which require omnidirectional
  165. radiators.
  166.  
  167.     Radio propagation models are somewhat involved; the more exacting
  168. models have been implemented as computer simulations by researchers.
  169. However, even a cursory analysis reveals that spectrum reuse is much more
  170. practical at higher frequencies.  In particular, path loss increases as the
  171. square of the frequency, as does antenna gain (which results from a narrower
  172. beamwidth).  Wave polarity separation also increases accordingly.  In general,
  173. it should be possible to model the multiaccess - monoaccess tradeoff, using
  174. the available computer tools.
  175.  
  176.     As an example, consider the CSMA network mentioned earlier.  The 
  177. farthest node is at a distance \fBR\fR from the hub.  In order to preclude the
  178. "hidden station" problem, stations on the circle described by \fBR\fR must have
  179. enough power for range \fB2R\fR.  In the limit, as the number of stations grows,
  180. the area covered by the radio network becomes four times as large as the area
  181. of the physical network.  The monoaccess dual is no larger than physical
  182. network area at some Critical Frequency, and can indeed be considerably 
  183. smaller.
  184.  
  185. .bp
  186. .ft B
  187. Towards a Spectrum Efficiency Quotient
  188. .ft R
  189.  
  190.     Clearly, a combination of three separation techniques (spatial, 
  191. spectral, and polar) can yield a spectrally efficient monoaccess network
  192. at higher frequencies.  At lower frequencies, however, the multiaccess model
  193. predominates.
  194.  
  195.     The term "spectrally efficient" has been used to describe multiaccess
  196. networks, without specificity.  What is needed is a "figure of merit" to 
  197. describe a radio network, and compare it with other alternatives.  Propagation
  198. characteristics of the spectrum below one GigaHertz lend themselves to 
  199. applications requiring a high degree of mobility and portability.  For fixed
  200. or semiportable operation, however, a monoaccess network provides a spectrally
  201. efficient alternative, when operated above the Critical Frequency.
  202.  
  203. .ft B
  204. Summary
  205. .ft R
  206.  
  207.     The spectral efficiency of monoaccess and multiaccess networks varies
  208. with the frequency used.  The exact calculation of the Critical Frequency
  209. of the tradeoff is currently the subject of research.  However, in general,
  210. multiaccess networks tend to be more spectrally efficient below one GigaHertz,
  211. and monoaccess networks predominate above. 
  212.  
  213. .ft B
  214. Implications for the Amateur Service
  215. .ft R
  216.  
  217.     Coordination between different types of services in the Amateur
  218. Service at frequencies above 30 MHz has been accomplished fairly haphazardly
  219. and ad hoc.  With the advent of packet radio, it has been difficult in major
  220. metropolitan areas to coordinate use of spectrum.  Repeater links have
  221. been traditionally placed in bands close to repeaters, because of the
  222. availability of equipment, and economy.
  223.  
  224.     Ultimately, some changes need to be made in bandplans for the
  225. Amateur Service.  In particular, it is recommended that stations in 
  226. Auxiliary Service (as defined in Part 97.86) should be relocated to 
  227. frequencies above one GigaHertz.  Terrestrial digital links, used to
  228. interconnect multiaccess networks, should also be placed in the microwave
  229. region.  In turn, multiaccess digital networks should be placed in the
  230. Amateur VHF and UHF allocations.
  231.  
  232.  
  233.  
  234. .bc
  235. .ft B
  236. References
  237. .ft R
  238.  
  239. Wozencraft and Jacobs, \fIPrinciples of Communications Engineering\fR,
  240. 1965, John Wiley and Sons, New York.  ISBN 0-471-96240-6
  241.  
  242. William Stallings, \fIData And Computer Communications\fR, 1985,
  243. Macmillan Publishing, New York.  ISBN 0-02-415440-7
  244.