home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ QRZ! Ham Radio 8 / QRZ Ham Radio Callsign Database - Volume 8.iso / pc / files / p_misc / netconf.arc / SPECTRUM.TXT < prev    next >
Text File  |  1988-12-10  |  12KB  |  265 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4.  
  5.  
  6.  
  7.                    Digital Radio Networks and Spectrum Management
  8.  
  9.                                Paul A. Flaherty, N9FZX
  10.  
  11.                            Computer Systems Laboratory _a_n_d
  12.                Space, Telecommunications, and Radioscience Laboratory
  13.               Department of Electrical Engineering, Stanford University
  14.                             ERL 408A,  Stanford, CA 94305
  15.  
  16.  
  17.  
  18.  
  19.           Abstract
  20.  
  21.                   Spectrum Management is a vital  part  of  amateur  radio.
  22.           Questions  of  where  to place services in the available spectrum
  23.           continue to plague frequency coordinators.  This  paper  contends
  24.           that  multiaccess  radio systems should be allocated in the spec-
  25.           trum below one GigaHertz, and that monoaccess  or  link  oriented
  26.           systems be placed above that frequency.
  27.  
  28.  
  29.  
  30.           Introduction
  31.  
  32.                   Electromagnetic Spectrum is a scarce, sometimes renewable
  33.           resource.   Much of the research in radioscience today is devoted
  34.           to spectrum - efficient methods of communication, including  such
  35.           mechanisms  as  amplitude  -  compandored sideband telephony, and
  36.           minimal shift keying data transmission.  Only recently,  however,
  37.           has  research  touched on the area of spectrum reuse, and the im-
  38.           pact of position within the radio spectrum considered.
  39.  
  40.                   Propagation characteristics of certain bands  make  those
  41.           spectra  valuable  to  classes of users.  Ionospheric propagation
  42.           below 30 MHz makes the High Frequency bands valuable to the world
  43.           community.  Small component size and portability are important to
  44.           mobile users, and so the Very High and Ultra High bands  play  an
  45.           important part in mobile communications.
  46.  
  47.                   Beyond these characteristics, however, little can be gen-
  48.           eralized about the appropriate spectra for certain classes of ap-
  49.           plicants.  It is not readily apparent that  one  band  should  be
  50.           preferred  for  multiaccess  applications, and another for link -
  51.           oriented systems.
  52.  
  53.                   Packet Radio is considered to be a  spectrally  efficient
  54.           mechanism  for  digital  communications.   Using  time - division
  55.           techniques, several users may share  spectrum  without  interfer-
  56.           ence, if certain traffic characteristics hold, and if the network
  57.           load is limited.  Techniques for time - sharing spectrum  abound,
  58.           but   all  require  some  degree  of  omnidirectionality  in  the
  59.           transmission or reception system, which is characteristic of  all
  60.           all multiaccess networks.
  61.  
  62.                   Using packet switching techniques, it is possible to con-
  63.           struct  a  link - oriented, or monoaccess network, which is func-
  64.           tionally equivalent to a multiaccess network.  This  duality  can
  65.           be exploited for networks with fixed or portable stations.
  66.  
  67.                   In a hierarchal  networking  architecture,  the  Terminal
  68.           Network is usually defined as that hierarchy or subnet which con-
  69.           nects to end users.  The telephone local loop  plant,  and  radio
  70.           repeaters  are  two examples of terminal networks.  This paper is
  71.           primarily concerned with terminal networks, although many of  the
  72.           principles may apply elsewhere.
  73.  
  74.           Synthesis
  75.  
  76.                   The forward gain of  a  parabolic  reflector  antenna  is
  77.           given as:          G = eta pi sup 2 d sup 2 f sup 2 over C sup 2
  78.  
  79.  
  80.                   It is of no small consequence that the gain of a  reason-
  81.           ably  sized  antenna  increases dramatically with frequency; many
  82.           digital satellite services exist explicitly because of this fact.
  83.  
  84.                   For the purposes of discussion, a "reasonably sized"  an-
  85.           tenna  is  considered  to be unity, or one meter in diameter, for
  86.           terrestrial applications.  "Reasonable size" is often a matter of
  87.           community  tastes and economics; however, the one meter size cov-
  88.           ers a large portion of of the contingencies.  Thus, the  gain  of
  89.           reasonably sized antenna is:
  90.  
  91.           G sub 0 = eta pi sup 2 f sup 2 over C sup 2
  92.  
  93.                   The half power beamwidth of a typical parabolic reflector
  94.           is:
  95.  
  96.           A = 139 over sqrt G
  97.  
  98.  
  99.  
  100.                   Digital  modulation  schemes  may  be  divided  into  two
  101.           classes:  orthogonal  modulation  techniques, such as phase shift
  102.           keying, and antipodal modulation, such as amplitude or  frequency
  103.           shift  keying.  In order to add another bit per symbol in  a con-
  104.           stant - bandwidth channel, an increase in the signal - to - noise
  105.           ratio of 3 db is required for orthogonal modulation, and 6 db for
  106.           antipodal systems.
  107.  
  108.           Frequency Division Tradeoff
  109.  
  110.                   The Frequency Division Tradeoff between  multiaccess  and
  111.           monoaccess  networks  arises out of the increase in signal - to -
  112.           noise ratio that occurs with the use  of  directional  radiators.
  113.           With  the  increase  comes the ability to either multiply the bit
  114.           rate, or divide the bandwidth to obtain equivalent service.   Be-
  115.           cause antenna gain is tied integrally with frequency, the ability
  116.           to fraction the bandwidth increases frequency, until a  point  is
  117.           reached where each node occupies its own channel.  The transition
  118.           from a multiaccess network to its monoaccess  dual  occurs  at  a
  119.           certain  Critical Frequency, which is determined in turn by chan-
  120.           nel access technique, and network size.
  121.  
  122.                   As an example,  consider  a  terminal  network  of  eight
  123.           nodes,  using  a  Carrier  Sense - Multiple Access, and frequency
  124.           shift keying, running at a rate of 19.2 Kbps.  Assuming the  best
  125.           case for CSMA (no hidden nodes), the best aggregate throughput we
  126.           can expect from such a network is about 10.6 Kbps.
  127.  
  128.                   The dual of this network is a set of eight links connect-
  129.           ed  to  a  packet switch.  Again assuming the best case for CSMA,
  130.           each user has access to a 19.2 Kbps data rate.  We wish to accom-
  131.           plish  this  transition  using  equivalent  power  and bandwidth;
  132.           therefore, we require an eightfold increase in the aggregate  bit
  133.           rate.   Assuming the use of n-ary frequency shift keying, this in
  134.           turn requires an increase of 42 db in the signal - to - noise ra-
  135.           tio.   Such  an  increase  can be obtained by a pair of one meter
  136.           aperture antennas, operating at 1.5 GHz, using  a  55%  efficient
  137.           feed.   The  aggregate throughput for this network is 153.6 Kbps,
  138.           in the same bandwidth.
  139.  
  140.                   In general, for a large class of terminal  networks,  the
  141.           Critical  Frequency lies around one GigaHertz.  The extent of the
  142.           tradeoff is limited in practice by packet switching  speeds,  and
  143.           the extensibility of multilevel modulation schemes.
  144.  
  145.           Space Division Tradeoff
  146.  
  147.                   The propagation characteristics of radio limit  the  spa-
  148.           tial  dimensions  of  any network.  However, it is often the case
  149.           that the network itself covers far less territory than the  radio
  150.           spectra  used to service it.  This is particularly true with mul-
  151.           tiaccess networks which require omnidirectional radiators.
  152.  
  153.                   Radio propagation models are somewhat involved; the  more
  154.           exacting  models have been implemented as computer simulations by
  155.           researchers.  However, even a cursory analysis reveals that spec-
  156.           trum reuse is much more practical at higher frequencies.  In par-
  157.           ticular, path loss increases as the square of the  frequency,  as
  158.           does  antenna  gain  (which  results  from a narrower beamwidth).
  159.           Wave polarity separation also increases accordingly.  In general,
  160.           it  should  be  possible  to  model  the multiaccess - monoaccess
  161.           tradeoff, using the available computer tools.
  162.  
  163.                   As an example, consider the CSMA network  mentioned  ear-
  164.           lier.   The  farthest  node  is at a distance R from the hub.  In
  165.           order to preclude the "hidden station" problem, stations  on  the
  166.           circle  described  by  R must have enough power for range 2R.  In
  167.           the limit, as the number of stations grows, the area  covered  by
  168.           the  radio network becomes four times as large as the area of the
  169.           physical network.  The monoaccess dual is no larger than physical
  170.           network  area  at some Critical Frequency, and can indeed be con-
  171.           siderably smaller.
  172.  
  173.  
  174.  
  175.  
  176.  
  177.  
  178.  
  179.  
  180.  
  181.  
  182.  
  183.  
  184.  
  185.  
  186.  
  187.  
  188.  
  189.  
  190.  
  191.  
  192.  
  193.  
  194.  
  195.  
  196.  
  197.  
  198.           Towards a Spectrum Efficiency Quotient
  199.  
  200.                   Clearly, a combination  of  three  separation  techniques
  201.           (spatial,  spectral,  and polar) can yield a spectrally efficient
  202.           monoaccess network at higher frequencies.  At lower  frequencies,
  203.           however, the multiaccess model predominates.
  204.  
  205.                   The term "spectrally efficient" has been used to describe
  206.           multiaccess  networks,  without specificity.  What is needed is a
  207.           "figure of merit" to describe a radio  network,  and  compare  it
  208.           with  other  alternatives.   Propagation  characteristics  of the
  209.           spectrum below one GigaHertz lend themselves to applications  re-
  210.           quiring  a high degree of mobility and portability.  For fixed or
  211.           semiportable operation, however, a monoaccess network provides  a
  212.           spectrally  efficient alternative, when operated above the Criti-
  213.           cal Frequency.
  214.  
  215.           Summary
  216.  
  217.                   The spectral efficiency  of  monoaccess  and  multiaccess
  218.           networks  varies  with the frequency used.  The exact calculation
  219.           of the Critical Frequency of the tradeoff is currently  the  sub-
  220.           ject of research.  However, in general, multiaccess networks tend
  221.           to be more spectrally efficient below one GigaHertz, and  monoac-
  222.           cess networks predominate above.
  223.  
  224.           Implications for the Amateur Service
  225.  
  226.                   Coordination between different types of services  in  the
  227.           Amateur Service at frequencies above 30 MHz has been accomplished
  228.           fairly haphazardly and ad hoc.  With the advent of packet  radio,
  229.           it  has  been difficult in major metropolitan areas to coordinate
  230.           use of spectrum.  Repeater links have been  traditionally  placed
  231.           in  bands  close  to  repeaters,  because  of the availability of
  232.           equipment, and economy.
  233.  
  234.                   Ultimately, some changes need to be made in bandplans for
  235.           the  Amateur Service.  In particular, it is recommended that sta-
  236.           tions in Auxiliary Service (as defined in Part 97.86)  should  be
  237.           relocated  to frequencies above one GigaHertz.  Terrestrial digi-
  238.           tal links, used to interconnect multiaccess networks, should also
  239.           be  placed in the microwave region.  In turn, multiaccess digital
  240.           networks should be placed in the Amateur VHF and UHF allocations.
  241.  
  242.  
  243.  
  244.           References
  245.  
  246.           Wozencraft and Jacobs, _P_r_i_n_c_i_p_l_e_s _o_f _C_o_m_m_u_n_i_c_a_t_i_o_n_s  _E_n_g_i_n_e_e_r_i_n_g,
  247.           1965, John Wiley and Sons, New York.  ISBN 0-471-96240-6
  248.  
  249.           William Stallings, _D_a_t_a _A_n_d _C_o_m_p_u_t_e_r _C_o_m_m_u_n_i_c_a_t_i_o_n_s,  1985,  Mac-
  250.           millan Publishing, New York.  ISBN 0-02-415440-7
  251.  
  252.  
  253.  
  254.  
  255.  
  256.  
  257.  
  258.  
  259.  
  260.  
  261.  
  262.  
  263.  
  264. 
  265.