Radio kognitywne - Cognitive radio

Radio kognitywne ( CR ) to radio , które mogą być programowane i konfigurowane dynamicznie do korzystania z najlepszych kanałów bezprzewodowych w jego pobliżu, aby uniknąć ingerencji użytkownika i zatorów. Takie radio automatycznie wykrywa dostępne kanały w widmie bezprzewodowym , a następnie odpowiednio zmienia swoje parametry transmisji lub odbioru , aby umożliwić bardziej jednoczesną komunikację bezprzewodową w danym paśmie widma w jednym miejscu. Proces ten jest formą dynamicznego zarządzania widmem .

Opis

W odpowiedzi na polecenia operatora silnik kognitywny jest w stanie skonfigurować parametry systemu radiowego. Parametry te obejmują „ przebieg , protokół, częstotliwość roboczą i sieć”. Działa jako autonomiczna jednostka w środowisku komunikacyjnym, wymieniając informacje o środowisku z sieciami, do których uzyskuje dostęp, i innymi radiami kognitywnymi (CR). CR „na bieżąco monitoruje swoją wydajność”, oprócz „odczytu sygnałów wyjściowych radia”; następnie wykorzystuje te informacje do „określenia środowiska RF , warunków kanału, wydajności łącza itp.” i dostosowuje „ustawienia radia, aby zapewnić wymaganą jakość usług z zastrzeżeniem odpowiedniej kombinacji wymagań użytkownika, ograniczeń operacyjnych i ograniczeń prawnych ”.

Niektóre propozycje „inteligentnego radia” łączą bezprzewodową sieć kratową — dynamicznie zmieniające się wiadomości o ścieżce między dwoma danymi węzłami przy użyciu różnorodności kooperacyjnej ; radio kognitywne — dynamiczna zmiana pasma częstotliwości używanego przez komunikaty między dwoma kolejnymi węzłami na ścieżce; i radio definiowane programowo — dynamicznie zmieniające protokół używany przez wiadomość między dwoma kolejnymi węzłami.

Historia

Koncepcja radia kognitywnego została po raz pierwszy zaproponowana przez Josepha Mitolę III na seminarium w Królewskim Instytucie Technologicznym KTH w Sztokholmie w 1998 roku i opublikowana w artykule Mitoli i Geralda Q. Maguire, Jr. w 1999 roku. komunikacja, którą Mitola później opisał jako:

Punkt, w którym bezprzewodowi osobiści asystenci cyfrowi (PDA) i powiązane sieci są wystarczająco inteligentne obliczeniowo w zakresie zasobów radiowych i związanej z nimi komunikacji komputer-komputer, aby wykrywać potrzeby komunikacyjne użytkownika w zależności od kontekstu użytkowania oraz zapewniać zasoby radiowe i usługi bezprzewodowe najbardziej odpowiedni do tych potrzeb.

Radio kognitywne jest uważane za cel, do którego powinna ewoluować platforma radiowa definiowana programowo : w pełni rekonfigurowalny bezprzewodowy nadajnik-odbiornik, który automatycznie dostosowuje parametry komunikacji do wymagań sieci i użytkownika.

Tradycyjne struktury regulacyjne zostały zbudowane dla modelu analogowego i nie są zoptymalizowane pod kątem radia kognitywnego. Organy regulacyjne na świecie (w tym Federalna Komisja Łączności w Stanach Zjednoczonych i Ofcom w Wielkiej Brytanii), a także różne niezależne kampanie pomiarowe wykazały, że większość widma częstotliwości radiowych jest wykorzystywana nieefektywnie. W większości części świata pasma sieci komórkowych są przeciążone, ale inne pasma częstotliwości (takie jak częstotliwości wojskowe, amatorskie i przywoławcze ) są niewystarczająco wykorzystywane. Niezależne badania przeprowadzone w niektórych krajach potwierdziły tę obserwację i wykazały, że wykorzystanie widma zależy od czasu i miejsca. Ponadto przydział stałego widma uniemożliwia korzystanie z rzadko używanych częstotliwości (przydzielonych do określonych usług), nawet jeśli nielicencjonowani użytkownicy nie powodowaliby zauważalnych zakłóceń w przydzielonej usłudze. Organy regulacyjne na świecie zastanawiają się, czy zezwolić nielicencjonowanym użytkownikom na licencjonowane pasma, jeśli nie spowoduje to żadnych zakłóceń dla licencjonowanych użytkowników. Inicjatywy te skoncentrowały badania nad radiem kognitywnym na dynamicznym dostępie do widma .

Pierwszy standard bezprzewodowych regionalnych sieci regionalnych, IEEE 802.22 , został opracowany przez IEEE 802 LAN/MAN Standard Committee (LMSC) i opublikowany w 2011 roku. Standard ten wykorzystuje geolokalizację i wykrywanie widma w celu uzyskania świadomości widmowej. Geolokalizacja łączy się z bazą danych licencjonowanych nadajników na danym obszarze w celu identyfikacji dostępnych kanałów do wykorzystania przez sieć radia kognitywnego. Wykrywanie widma obserwuje widmo i identyfikuje zajęte kanały. IEEE 802.22 został zaprojektowany w celu wykorzystania niewykorzystanych częstotliwości lub fragmentów czasu w lokalizacji. Ta biała przestrzeń to niewykorzystane kanały telewizyjne w obszarach geolokalizowanych. Radio kognitywne nie może jednak zajmować przez cały czas tej samej niewykorzystanej przestrzeni. Wraz ze zmianą dostępności widma sieć dostosowuje się, aby zapobiec zakłóceniom w licencjonowanych transmisjach.

Terminologia

W zależności od parametrów nadawania i odbioru istnieją dwa główne typy radia kognitywnego:

  • Full Cognitive Radio (radio Mitola), w którym uwzględniany jest każdy możliwy parametr obserwowany przez węzeł bezprzewodowy (lub sieć).
  • Radio kognitywne z wykrywaniem widma , w którym brane jest pod uwagę tylko widmo o częstotliwości radiowej.

Inne typy zależą od części widma dostępnego dla radia kognitywnego:

  • Radio kognitywne z licencjonowanym pasmem , zdolne do korzystania z pasm przypisanych do licencjonowanych użytkowników (z wyjątkiem pasm nielicencjonowanych, takich jak pasmo U-NII lub pasmo ISM ). Grupa robocza IEEE 802.22 opracowuje standard bezprzewodowej sieci regionalnej (WRAN), która będzie działać na niewykorzystanych kanałach telewizyjnych, znanych również jako białe przestrzenie telewizyjne .
  • Radio kognitywne z nielicencjonowanym pasmem , które może wykorzystywać tylko nielicencjonowane części widma częstotliwości radiowych (RF). Jeden z takich systemów jest opisany w specyfikacji IEEE 802.15 Task Group 2, która skupia się na współistnieniu IEEE 802.11 i Bluetooth .
  • Ruchliwość widma : Proces, w którym użytkownik radia kognitywnego zmienia częstotliwość jego działania. Sieci radia kognitywnego mają na celu wykorzystanie widma w sposób dynamiczny, umożliwiając terminalom radiowym działanie w najlepszym dostępnym paśmie częstotliwości, przy zachowaniu wymagań w zakresie bezproblemowej komunikacji podczas przejścia do lepszego widma.
  • Współdzielenie widma : Sieci radia kognitywnego ze współdzieleniem widma umożliwiają użytkownikom radia kognitywnego współdzielenie pasm widma użytkowników pasma licencjonowanego. Jednak użytkownicy radia kognitywnego muszą ograniczyć swoją moc nadawania, aby zakłócenia powodowane przez użytkowników pasma licencjonowanego były utrzymywane poniżej pewnego progu.
  • Współdzielenie widma oparte na czujnikach : w sieciach radia kognitywnego ze współdzieleniem widma opartego na czujnikach użytkownicy radia kognitywnego najpierw słuchają widma przydzielonego licencjonowanym użytkownikom, aby wykryć stan licencjonowanych użytkowników. Na podstawie wyników wykrywania użytkownicy radia kognitywnego decydują o swoich strategiach transmisji. Jeśli licencjonowani użytkownicy nie korzystają z tych pasm, użytkownicy radia kognitywnego będą transmitować w tych pasmach. Jeżeli licencjonowani użytkownicy korzystają z pasm, użytkownicy radia kognitywnego dzielą pasma widma z licencjonowanymi użytkownikami, ograniczając ich moc nadawania.
  • Współdzielenie widma z obsługą bazy danych ,,: W tym trybie współdzielenia widma użytkownicy radia kognitywnego muszą uzyskać dostęp do białej bazy danych przed uzyskaniem zezwolenia lub odmowy dostępu do współdzielonego widma. Baza danych białej przestrzeni zawiera algorytmy, modele matematyczne i lokalne przepisy służące do przewidywania wykorzystania widma na obszarze geograficznym oraz do wnioskowania o ryzyku zakłóceń, jakie dla dotychczasowych usług stwarza użytkownik radia kognitywnego uzyskujący dostęp do współdzielonego widma. Jeśli baza danych białej przestrzeni oceni, że nastąpią destrukcyjne zakłócenia dla operatorów zasiedziałych, użytkownikowi radia kognitywnego odmówi się dostępu do współdzielonego widma.

Technologia

Chociaż radio kognitywne było początkowo uważane za rozszerzenie radia definiowanego programowo (pełne radio kognitywne), większość prac badawczych koncentruje się na radiu kognitywnym z wykrywaniem widma (szczególnie w pasmach telewizyjnych ). Głównym problemem w radio kognitywnym wykrywającym widmo jest projektowanie wysokiej jakości urządzeń wykrywających widmo i algorytmów do wymiany danych z wykrywania widma między węzłami. Wykazano, że prosty detektor energii nie może zagwarantować dokładnego wykrywania obecności sygnału, co wymaga bardziej wyrafinowanych technik wykrywania widma i wymaga regularnej wymiany informacji o wykrywaniu widma między węzłami. Zwiększenie liczby współpracujących węzłów detekcyjnych zmniejsza prawdopodobieństwo fałszywej detekcji.

Możliwym podejściem jest adaptacyjne wypełnianie wolnych pasm RF przy użyciu OFDMA . Timo A. Weiss i Friedrich K. Jondral z Uniwersytetu w Karlsruhe zaproponowali system łączenia widm , w którym wolne pasma (wykrywane przez węzły) były natychmiast wypełniane przez podpasma OFDMA . Zastosowania widma sensing radia kognitywnego to awaryjne sieci i WLAN wyższej przepustowości i transmisji rozszerzeń -odległość. Trwa ewolucja radia kognitywnego w kierunku sieci kognitywnych ; koncepcja sieci kognitywnych polega na inteligentnym zorganizowaniu sieci radia kognitywnego.

Funkcje

Główne funkcje radia kognitywnego to:

  • Sterowanie mocą : Sterowanie mocą jest zwykle stosowane w systemach CR z podziałem widma, aby zmaksymalizować wydajność drugorzędnych użytkowników z ograniczeniami mocy zakłóceń w celu ochrony głównych użytkowników.
  • Sensing Spectrum : Wykrywanie niewykorzystaną spektrum i dzielenie się nim, bez szkodliwych zakłóceń dla innych użytkowników; ważnym wymogiem sieci kognitywno-radiowej jest wyczuwanie pustego widma. Wykrywanie głównych użytkowników to najskuteczniejszy sposób wykrywania pustego widma. Techniki wykrywania widma można podzielić na trzy kategorie:
    • Wykrywanie nadajnika : Radia kognitywne muszą mieć możliwość określenia, czy sygnał z głównego nadajnika jest lokalnie obecny w określonym widmie. Istnieje kilka proponowanych podejść do wykrywania nadajników:
      • Dopasowane wykrywanie filtra
      • Wykrywanie energii: Wykrywanie energii to metoda wykrywania widma, która wykrywa obecność/brak sygnału poprzez pomiar mocy odbieranego sygnału. Takie podejście do wykrywania sygnału jest dość łatwe i wygodne do praktycznego wdrożenia. Aby wdrożyć detektor energii, wymagana jest jednak informacja o wariancji szumu. Wykazano, że niedoskonała znajomość mocy szumu (niepewność szumu) może prowadzić do zjawiska ściany SNR , czyli poziomu SNR, poniżej którego detektor energii nie może wiarygodnie wykryć żadnego transmitowanego sygnału, nawet wydłużając czas obserwacji. Wykazano również, że ściana SNR nie jest spowodowana samą obecnością niepewności szumów, ale niewystarczającym doprecyzowaniem szacowania mocy szumów przy wzrastającym czasie obserwacji.
      • Wykrywanie cech cyklostacjonarnych: Tego typu algorytmy wykrywania widma są motywowane, ponieważ większość sygnałów komunikacyjnych generowanych przez człowieka, takich jak BPSK , QPSK , AM , OFDM , itp. wykazuje zachowanie cyklostacjonarne. Jednak sygnały szumowe (zazwyczaj biały szum ) nie wykazują zachowania cyklostacjonarnego. Detektory te są odporne na niepewność wariancji szumu. Celem takich detektorów jest wykorzystanie cyklostacjonarnego charakteru sygnałów komunikacyjnych, które zostały wytworzone przez człowieka, ukrytego w szumie. Ich głównym parametrem decyzyjnym jest porównanie niezerowych wartości uzyskanych przez CSD sygnału pierwotnego. Detektory cyklostacjonarne mogą być jednocyklowe lub wielocyklowe.
  • Wykrywanie widma szerokopasmowego : odnosi się do wykrywania widma w szerokim paśmie widmowym, zwykle setki MHz lub nawet kilka GHz. Ponieważ obecna technologia ADC nie może pozwolić sobie na wysoką częstotliwość próbkowania z wysoką rozdzielczością, wymaga ona rewolucyjnych technik, np. wykrywania kompresji i próbkowania sub-Nyquista.
    • Wykrywanie kooperacyjne : odnosi się do metod wykrywania widma, w których informacje od wielu użytkowników radia kognitywnego są włączone do wykrywania głównego użytkownika
    • Wykrywanie oparte na zakłóceniach
  • CR oparty na pustej przestrzeni : Za pomocą wielu anten CR wykrywa pustą przestrzeń głównego użytkownika, a następnie transmituje w pustej przestrzeni, tak że jego późniejsza transmisja powoduje mniej zakłóceń dla głównego użytkownika
  • Zarządzanie widmem : Przechwytywanie najlepszego dostępnego widma w celu spełnienia wymagań w zakresie komunikacji użytkownika, bez powodowania niepotrzebnych zakłóceń dla innych (głównych) użytkowników. Radia kognitywne powinny decydować o najlepszym paśmie widma (ze wszystkich dostępnych pasm) w celu spełnienia wymagań jakości usług ; dlatego w przypadku radia kognitywnego wymagane są funkcje zarządzania widmem. Funkcje zarządzania widmem są klasyfikowane jako:
    • Analiza widma
    • Decyzja o spektrum

Praktyczna realizacja funkcji zarządzania widmem jest zagadnieniem złożonym i wieloaspektowym, ponieważ musi uwzględniać różnorodne wymagania techniczne i prawne. Przykładem pierwszego z nich jest wybór odpowiedniego progu wykrywania w celu wykrycia innych użytkowników, drugim przykładem jest konieczność spełnienia zasad dostępu do widma radiowego w przepisach międzynarodowych (regulacje radiowe ITU) i krajowych (prawo telekomunikacyjne) .

Inteligentna antena (IA)

Inteligentną anteną (lub inteligentnej anteny) jest technologią, która wykorzystuje przestrzennej anteny belkowy formacji i przestrzenne kodowanie anulowania interferencji; jednak pojawiają się aplikacje, które można rozszerzyć na inteligentne macierze wielo lub współpracujące z antenami do zastosowań w złożonych środowiskach komunikacyjnych. Dla porównania, radio kognitywne umożliwia terminalom użytkowników wykrycie, czy część widma jest używana w celu współdzielenia widma z sąsiednimi użytkownikami. Poniższa tabela porównuje te dwa:

Punkt Radio kognitywne (CR) Inteligentna antena (IA)
Główny cel Udostępnianie otwartego widma Ponowne wykorzystanie przestrzeni otoczenia
Przetwarzanie zakłóceń Unikanie przez wykrywanie widma Anulowanie przez przestrzenne prekodowanie /post-kodowanie
Kluczowy koszt Wykrywanie widma i wielopasmowe RF Wielokrotne lub współpracujące tablice antenowe
Wymagający algorytm Technologia zarządzania widmem Inteligentna technologia przestrzennego formowania wiązki /kodowania
Stosowane techniki Radio programowe kognitywne Uogólnione kodowanie na brudnym papierze i kodowanie Wyner-Ziv
Podejście do piwnicy Modulacja ortogonalna Mniejsza komórka komórkowa
Konkurencyjna technologia Ultraszerokopasmowy dla lepszego wykorzystania pasma Wielosektorowość (3, 6, 9 itd.) dla większego ponownego wykorzystania przestrzennego
Streszczenie Technologia współdzielenia widma poznawczego Inteligentna technologia ponownego wykorzystania widma

Należy zauważyć, że obie techniki można łączyć, jak pokazano w wielu współczesnych scenariuszach transmisji.

Cooperative MIMO (CO-MIMO) łączy obie techniki.

Aplikacje

Cognitive Radio (CR) potrafi wyczuć swoje otoczenie i bez interwencji użytkownika może dostosować się do potrzeb komunikacyjnych użytkownika, zachowując jednocześnie zgodność z przepisami FCC w Stanach Zjednoczonych. Teoretycznie ilość widma jest nieskończona; praktycznie, z powodu propagacji i innych powodów, jest skończony ze względu na celowość pewnych części widma. Przydzielone widmo jest dalekie od pełnego wykorzystania, a wydajne wykorzystanie widma jest coraz większym problemem; CR oferuje rozwiązanie tego problemu. CR może inteligentnie wykryć, czy jakakolwiek część widma jest w użyciu i może tymczasowo ją wykorzystać bez zakłócania transmisji innych użytkowników. Według Bruce'a Fette'a „Niektóre inne zdolności poznawcze radia obejmują określanie jego lokalizacji, wykrywanie wykorzystania widma przez sąsiednie urządzenia, zmianę częstotliwości, regulację mocy wyjściowej, a nawet zmianę parametrów i charakterystyk transmisji. , zapewni użytkownikom widma bezprzewodowego możliwość dostosowania się do warunków widma w czasie rzeczywistym, oferując organom regulacyjnym, licencje i ogółowi społeczeństwa elastyczne, wydajne i wszechstronne wykorzystanie widma”.

Przykłady zastosowań obejmują:

  • Zastosowanie sieci CR do komunikacji alarmowej i bezpieczeństwa publicznego z wykorzystaniem białej przestrzeni
  • Potencjał sieci CR do realizacji dynamicznego dostępu do widma (DSA)
  • Zastosowanie sieci CR do działań wojskowych, takich jak wykrywanie i badanie ataków chemiczno-biologicznych, radiologicznych i nuklearnych, kontrola dowodzenia, uzyskiwanie informacji o ocenach szkód w bitwie, obserwacja pola bitwy, pomoc wywiadowcza i namierzanie.
  • Udowodniono również, że są one pomocne w tworzeniu Medical Body Area Networks, które można wykorzystać do wszechobecnego monitorowania pacjenta, które pomaga w natychmiastowym powiadamianiu lekarzy o ważnych informacjach o pacjentach, takich jak poziom cukru, ciśnienie krwi, tlen we krwi i elektrokardiogram (EKG) itp. Daje to dodatkową korzyść w postaci zmniejszenia ryzyka infekcji, a także zwiększa mobilność pacjenta.
  • Radio kognitywne jest przydatne również w bezprzewodowych sieciach czujnikowych, w których przekazywanie pakietów może odbywać się przy użyciu kolejek pierwotnych i wtórnych, aby przesyłać pakiety bez opóźnień i przy minimalnym zużyciu energii.

Symulacja sieci CR

Obecnie modelowanie i symulacja to jedyny paradygmat, który pozwala na symulację złożonego zachowania w kognitywnych sieciach radiowych danego środowiska. Symulatory sieciowe, takie jak OPNET , NetSim , MATLAB i ns2 mogą być wykorzystywane do symulacji kognitywnej sieci radiowej. CogNS to oparta na otwartym kodzie źródłowym platforma symulacyjna NS2 dla kognitywnych sieci radiowych. Obszary badań z wykorzystaniem symulatorów sieciowych obejmują:

  1. Wykrywanie widma i wykrywanie operatora zasiedziałego
  2. Przydział widma
  3. Pomiar i/lub modelowanie wykorzystania widma
  4. Efektywność wykorzystania widma

Network Simulator 3 (ns-3) jest również realną opcją do symulacji CR. ns-3 może być również używany do emulowania i eksperymentowania sieci CR za pomocą zwykłego sprzętu, takiego jak urządzenia WiFi Atheros.

Przyszłe plany

Sukces pasma nielicencjonowanego w przystosowaniu szeregu urządzeń i usług bezprzewodowych skłonił FCC do rozważenia udostępnienia kolejnych pasm do nielicencjonowanego użytku. W przeciwieństwie do tego, licencjonowane pasma są niewykorzystane ze względu na statyczny przydział częstotliwości. Zdając sobie sprawę, że technologia CR ma potencjał do wykorzystania nieefektywnie wykorzystywanych licencjonowanych pasm bez powodowania zakłóceń dla dotychczasowych użytkowników, FCC wydała zawiadomienie o proponowanym tworzeniu reguł, które pozwoliłoby nielicencjonowanym radiotelefonom działać w pasmach transmisji telewizyjnej. Grupa robocza IEEE 802.22 , utworzona w listopadzie 2004 roku, ma za zadanie zdefiniowanie standardu interfejsu radiowego dla bezprzewodowych sieci regionalnych (opartych na wykrywaniu CR) do obsługi nielicencjonowanych urządzeń w widmie przeznaczonym na usługi telewizyjne. Aby zachować zgodność z późniejszymi przepisami FCC dotyczącymi nielicencjonowanego wykorzystania widma telewizyjnego, IEEE 802.22 zdefiniował interfejsy do obowiązkowej bazy danych TV White Space , aby uniknąć zakłóceń w dotychczasowych usługach.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki