Познавательное радио - Cognitive radio

Когнитивное радио ( CR ) представляет собой радиоприемник , который может быть запрограммирован и настроен динамически , чтобы использовать лучшие беспроводные каналы в его окрестностях , чтобы избежать вмешательства пользователя и заторы. Такая радиостанция автоматически обнаруживает доступные каналы в беспроводном спектре , а затем соответственно изменяет свои параметры передачи или приема, чтобы обеспечить одновременную беспроводную связь в заданном диапазоне спектра в одном месте. Этот процесс представляет собой форму динамического управления использованием спектра .

Описание

В ответ на команды оператора когнитивный двигатель может настраивать параметры радиосистемы. Эти параметры включают « форму волны , протокол, рабочую частоту и сеть». Он функционирует как автономная единица в коммуникационной среде, обмениваясь информацией об окружающей среде с сетями, к которым он обращается, и другими когнитивными радиостанциями (CR). CR «постоянно контролирует свои собственные характеристики» в дополнение к «считыванию выходных сигналов радио»; затем он использует эту информацию для «определения радиочастотной среды, состояния канала, характеристик канала и т. д.» и регулирует «настройки радиомодуля для обеспечения требуемого качества обслуживания с учетом соответствующей комбинации требований пользователя, эксплуатационных ограничений и нормативных ограничений. ".

Некоторые предложения «умного радио» объединяют беспроводную ячеистую сеть - динамическое изменение пути сообщений между двумя заданными узлами с использованием кооперативного разнесения ; когнитивное радио - динамическое изменение полосы частот, используемой сообщениями между двумя последовательными узлами на пути; и программно-определяемое радио - динамическое изменение протокола, используемого для передачи сообщений между двумя последовательными узлами.

История

Концепция когнитивного радио была впервые предложена Джозефом Митолой III на семинаре в Королевском технологическом институте KTH в Стокгольме в 1998 году и опубликована в статье Митолы и Джеральда К. Магуайров-младших в 1999 году. Это был новый подход в беспроводной связи. коммуникации, которые Митола позже описал как:

Точка, в которой беспроводные персональные цифровые помощники (КПК) и связанные сети обладают достаточным вычислительным интеллектом в отношении радиоресурсов и соответствующей связи между компьютерами, чтобы обнаруживать потребности пользователей в связи в зависимости от контекста использования и предоставлять радиоресурсы и беспроводные услуги. наиболее подходит для этих нужд.

Когнитивное радио рассматривается как цель, для достижения которой должна развиваться программно-определяемая радиоплатформа: полностью реконфигурируемый беспроводной приемопередатчик, который автоматически адаптирует свои параметры связи к требованиям сети и пользователей.

Традиционные регуляторные структуры были созданы для аналоговой модели и не оптимизированы для когнитивного радио. Регулирующие органы в мире (включая Федеральную комиссию по связи в США и Ofcom в Соединенном Королевстве), а также различные кампании независимых измерений обнаружили, что большая часть радиочастотного спектра используется неэффективно. Полосы сотовой сети перегружены в большинстве частей мира, но другие диапазоны частот (например, военное, любительское радио и частоты пейджинга ) используются недостаточно. Независимые исследования, проведенные в некоторых странах, подтвердили это наблюдение и пришли к выводу, что использование спектра зависит от времени и места. Более того, фиксированное распределение спектра предотвращает использование редко используемых частот (присвоенных конкретным службам), даже если любые нелицензированные пользователи не будут вызывать заметных помех для присвоенной службы. Регулирующие органы в мире рассматривают вопрос о том, разрешить ли нелицензированным пользователям работать в лицензированных диапазонах, если они не будут создавать помех для лицензированных пользователей. Эти инициативы сосредоточили исследования когнитивного радио на динамическом доступе к спектру .

Первый стандарт когнитивной радиосвязи для беспроводной региональной сети, IEEE 802.22 , был разработан Комитетом по стандартам IEEE 802 LAN / MAN (LMSC) и опубликован в 2011 году. Этот стандарт использует геолокацию и зондирование спектра для спектральной осведомленности. Геолокация сочетается с базой данных лицензированных передатчиков в этом районе для определения доступных каналов для использования сетью когнитивного радио. Зондирование спектра наблюдает за спектром и определяет занятые каналы. IEEE 802.22 был разработан для использования неиспользуемых частот или фрагментов времени в определенном месте. Это белое пространство - неиспользуемые телевизионные каналы в геолокационных областях. Однако когнитивное радио не может постоянно занимать одно и то же неиспользуемое пространство. По мере изменения доступности спектра сеть адаптируется для предотвращения помех лицензированной передаче.

Терминология

В зависимости от параметров передачи и приема различают два основных типа когнитивного радио:

  • Полное когнитивное радио (радио Mitola), в котором рассматриваются все возможные параметры, наблюдаемые беспроводным узлом (или сетью).
  • Когнитивное радио с распознаванием спектра , в котором рассматривается только радиочастотный спектр.

Другие типы зависят от частей спектра, доступных для когнитивного радио:

  • Когнитивное радио с лицензированным диапазоном , способное использовать диапазоны, назначенные лицензированным пользователям (за исключением нелицензированных диапазонов, таких как диапазон U-NII или диапазон ISM ). 802.22 IEEE рабочая группа разрабатывает стандарт для беспроводной региональной сети (WRAN), которая будет работать на неиспользуемых телевизионных каналов, также известный как ТВ - белых пространств .
  • Когнитивное радио без лицензии, которое может использовать только нелицензированные части радиочастотного (РЧ) спектра. Одна такая система описана в спецификациях IEEE 802.15 Task Group 2, в которых основное внимание уделяется сосуществованию IEEE 802.11 и Bluetooth .
  • Мобильность спектра : процесс, с помощью которого пользователь когнитивного радио меняет свою частоту работы. Сети когнитивной радиосвязи нацелены на использование спектра динамическим образом, позволяя радиотерминалам работать в наилучшей доступной полосе частот, обеспечивая бесперебойную связь во время переходов к лучшему спектру.
  • Совместное использование спектра : сети когнитивного радио с совместным использованием спектра позволяют пользователям когнитивного радио совместно использовать полосы спектра пользователей лицензированных диапазонов. Однако пользователи когнитивного радио должны ограничивать свою мощность передачи, чтобы помехи, создаваемые пользователям лицензированного диапазона, оставались ниже определенного порога.
  • Совместное использование спектра на основе зондирования: в сетях когнитивного радио с совместным использованием спектра на основе зондирования пользователи когнитивного радио сначала слушают спектр, выделенный лицензированным пользователям, чтобы определить состояние лицензированных пользователей. На основе результатов обнаружения пользователи когнитивного радио выбирают свои стратегии передачи. Если лицензированные пользователи не используют эти диапазоны, пользователи когнитивного радио будут передавать в этих диапазонах. Если лицензированные пользователи используют диапазоны, пользователи когнитивного радио совместно используют диапазоны спектра с лицензированными пользователями, ограничивая их мощность передачи.
  • Совместное использование спектра на основе базы данных : В этом варианте совместного использования спектра пользователям когнитивного радио требуется доступ к базе данных белого пространства, прежде чем им будет разрешен или запрещен доступ к совместно используемому спектру. База данных белого пространства содержит алгоритмы, математические модели и местные правила для прогнозирования использования спектра в географической зоне и для вывода о риске помех, создаваемых действующим службам со стороны пользователя когнитивной радиосвязи, имеющего доступ к совместно используемому спектру. Если база данных белого пространства определяет, что будут иметь место деструктивные помехи для действующих операторов, пользователю когнитивного радио будет отказано в доступе к совместно используемому спектру.

Технология

Хотя когнитивное радио изначально задумывалось как расширение программно-определяемого радио (полное когнитивное радио), большая часть исследовательской работы сосредоточена на когнитивном радио с распознаванием спектра (особенно в телевизионных диапазонах). Основная проблема когнитивного радио с определением спектра - это разработка высококачественных устройств с определением спектра и алгоритмов для обмена данными с определением спектра между узлами. Было показано, что простой детектор энергии не может гарантировать точное обнаружение присутствия сигнала, что требует более сложных методов измерения спектра и требует регулярного обмена информацией о измерении спектра между узлами. Увеличение количества взаимодействующих узлов считывания снижает вероятность ложного обнаружения.

Возможным подходом является адаптивное заполнение свободных радиочастотных диапазонов с использованием OFDMA . Тимо А. Вайс и Фридрих К. Йондрал из Университета Карлсруэ предложили систему объединения спектра , в которой свободные полосы (считываемые узлами) немедленно заполнялись подполосами OFDMA . Приложения когнитивного радио с определением спектра включают в себя более высокую пропускную способность аварийных сетей и WLAN и расширение дальности передачи . Идет эволюция когнитивного радио в сторону когнитивных сетей ; концепция когнитивных сетей заключается в разумной организации сети когнитивных радиоприемников.

Функции

Основные функции когнитивных радиоприемников:

  • Управление мощностью : Управление мощностью обычно используется для систем CR с совместным использованием спектра, чтобы максимизировать пропускную способность вторичных пользователей с ограничениями мощности помех для защиты основных пользователей.
  • Зондирование спектра : обнаружение неиспользуемого спектра и его совместное использование без вредных помех другим пользователям; Важным требованием сети когнитивного радио является восприятие пустого спектра. Обнаружение основных пользователей - наиболее эффективный способ обнаружения пустого спектра. Методы спектрального зондирования можно разделить на три категории:
    • Обнаружение передатчика : когнитивные радиостанции должны иметь возможность определять, присутствует ли сигнал от основного передатчика локально в определенном спектре. Предлагается несколько подходов к обнаружению передатчика:
      • Обнаружение согласованного фильтра
      • Обнаружение энергии: Обнаружение энергии - это метод измерения спектра, который обнаруживает наличие / отсутствие сигнала просто путем измерения мощности принятого сигнала. Такой подход к обнаружению сигналов довольно прост и удобен для практической реализации. Однако для реализации детектора энергии требуется информация о дисперсии шума. Было показано, что несовершенное знание мощности шума (неопределенность шума) может привести к явлению стены SNR , которая представляет собой уровень SNR, ниже которого детектор энергии не может надежно обнаружить какой-либо переданный сигнал, даже увеличивая время наблюдения. Также было показано, что граница отношения сигнал / шум вызвана не наличием самой неопределенности шума, а недостаточным уточнением оценки мощности шума при увеличении времени наблюдения.
      • Циклостационарное обнаружение признаков: этот тип алгоритмов измерения спектра мотивирован тем, что большинство искусственных сигналов связи, таких как BPSK , QPSK , AM , OFDM и т. Д., Демонстрируют циклостационарное поведение. Однако шумовые сигналы (обычно белый шум ) не демонстрируют циклостационарного поведения. Эти детекторы устойчивы к неопределенности дисперсии шума. Целью таких детекторов является использование циклостационарной природы искусственных сигналов связи, скрытых за шумом. Их основным параметром решения является сравнение ненулевых значений, полученных с помощью CSD первичного сигнала. Циклостационарные детекторы могут быть одноцикловыми или многоцикловыми.
  • Широкополосное зондирование спектра : относится к зондированию спектра в большой спектральной полосе, обычно в сотни МГц или даже несколько ГГц. Поскольку современная технология АЦП не может позволить себе высокую частоту дискретизации с высоким разрешением, она требует революционных методов, например, компрессионного зондирования и дискретизации суб-Найквиста.
    • Совместное обнаружение : относится к методам определения спектра, при которых информация от нескольких пользователей когнитивного радио включается для обнаружения основным пользователем.
    • Обнаружение на основе помех
  • CR на основе нулевого пространства : с помощью нескольких антенн CR обнаруживает нулевое пространство основного пользователя и затем передает в нулевом пространстве, так что его последующая передача вызывает меньше помех для основного пользователя.
  • Управление спектром : захват наилучшего доступного спектра для удовлетворения требований пользователя к связи, не создавая при этом ненужных помех другим (основным) пользователям. Когнитивные радиостанции должны выбрать лучшую полосу спектра (из всех доступных полос) для удовлетворения требований к качеству обслуживания ; поэтому для когнитивных радиоприемников требуются функции управления использованием спектра. Функции управления спектром подразделяются на:
    • Спектральный анализ
    • Спектральное решение

Практическая реализация функций управления использованием спектра - это сложный и многогранный вопрос, поскольку он должен отвечать множеству технических и юридических требований. Примером первого является выбор подходящего порога чувствительности для обнаружения других пользователей, в то время как последний иллюстрируется необходимостью соблюдения правил и положений, установленных для доступа к радиочастотному спектру в международном (правила радиосвязи МСЭ) и национальном (законодательство в области электросвязи) законодательстве. .

Интеллектуальная антенна (IA)

Интеллектуальные антенны (или смарт - антенна) представляет собой антенну технологии , которая использует пространственную луч-образование и пространственное кодирование для подавления помех; тем не менее, появляются приложения для расширения до интеллектуальных множественных или кооперативных антенных решеток для применения в сложных коммуникационных средах. Когнитивное радио, для сравнения, позволяет пользовательским терминалам определять, используется ли часть спектра для совместного использования спектра с соседними пользователями. В следующей таблице сравниваются два:

Точка Когнитивное радио (CR) Интеллектуальная антенна (IA)
Основная цель Открытое совместное использование спектра Пространственное повторное использование окружающей среды
Обработка помех Избегание с помощью спектрального зондирования Отмена пространственным предварительным кодированием / посткодированием
Ключевая стоимость Зондирование спектра и многодиапазонная радиочастота Множественные или кооперативные антенные решетки
Сложный алгоритм Технология управления спектром Интеллектуальная технология пространственного формирования луча / кодирования
Прикладные техники Когнитивное программное обеспечение радио Обобщенное кодирование грязной бумаги и кодирование Виннера-Зива
Подвальный подход Ортогональная модуляция Сотовая ячейка меньшего размера
Конкурентоспособная технология Сверхширокополосный для большего использования диапазона Мультисекторность (3, 6, 9 и т. Д.) Для более высокого пространственного повторного использования
Резюме Когнитивная технология совместного использования спектра Интеллектуальная технология повторного использования спектра

Обратите внимание, что оба метода можно комбинировать, как показано во многих современных сценариях передачи.

Кооперативный MIMO (CO-MIMO) сочетает в себе оба метода.

Приложения

Cognitive Radio (CR) может распознавать окружающую среду и без вмешательства пользователя может адаптироваться к коммуникационным потребностям пользователя, при этом соблюдая правила FCC в США. Теоретически количество спектра бесконечно; практически, для распространения и по другим причинам он конечен из-за желательности определенных участков спектра. Присвоенный спектр используется далеко не полностью, и его эффективное использование вызывает растущую озабоченность; CR предлагает решение этой проблемы. CR может интеллектуально определять, используется ли какая-либо часть спектра, и может временно использовать ее, не мешая передачам других пользователей. По словам Брюса Фетта, «некоторые из других когнитивных способностей радиостанции включают определение своего местоположения, определение использования спектра соседними устройствами, изменение частоты, регулировку выходной мощности или даже изменение параметров и характеристик передачи. Все эти возможности, а также другие еще предстоит реализовать. , предоставит пользователям беспроводного спектра возможность адаптироваться к условиям спектра в реальном времени, предлагая регулирующим органам, лицензии и широкую общественность гибкое, эффективное и всестороннее использование спектра ».

Примеры приложений включают:

  • Применение сетей CR для связи в чрезвычайных ситуациях и в целях общественной безопасности с использованием белого пространства
  • Потенциал сетей CR для выполнения динамического доступа к спектру (DSA)
  • Применение сетей CR в военных действиях, таких как обнаружение и расследование химических, биологических, радиологических и ядерных атак, командное управление, получение информации об оценке боевых повреждений, наблюдение за полем боя, помощь в разведке и наведение на цель.
  • Они также доказали свою полезность при создании медицинских сетей, которые можно использовать для вездесущего мониторинга пациентов, что помогает немедленно уведомить врачей о важной информации о пациентах, такой как уровень сахара, артериальное давление, кислород в крови и электрокардиограмма (ЭКГ) и т. Д. Это дает дополнительное преимущество в виде снижения риска инфекций, а также увеличивает подвижность пациента.
  • Когнитивное радио применимо также к беспроводным сенсорным сетям, где ретрансляция пакетов может происходить с использованием первичных и вторичных очередей для пересылки пакетов без задержек и с минимальным энергопотреблением.

Моделирование сетей CR

В настоящее время моделирование и симуляция - единственная парадигма, которая позволяет моделировать сложное поведение в когнитивных радиосетях данной среды. Сетевые симуляторы, такие как OPNET , NetSim , MATLAB и ns2, могут использоваться для моделирования когнитивной радиосети. CogNS - это платформа моделирования на основе NS2 с открытым исходным кодом для сетей когнитивного радио. Области исследований с использованием сетевых симуляторов включают:

  1. Зондирование спектра и обнаружение действующего
  2. Распределение спектра
  3. Измерение и / или моделирование использования спектра
  4. Эффективность использования спектра

Network Simulator 3 (ns-3) также является жизнеспособным вариантом для моделирования CR. ns-3 также можно использовать для эмуляции и экспериментов в сетях CR с помощью стандартного оборудования, такого как WiFi-устройства Atheros.

Планы на будущее

Успех нелицензируемого диапазона для размещения ряда беспроводных устройств и услуг побудил FCC рассмотреть возможность открытия дополнительных диапазонов для нелицензионного использования. Напротив, лицензированные полосы используются недостаточно из-за статического распределения частот. Понимая, что технология CR может использовать неэффективно используемые лицензированные диапазоны, не создавая помех для существующих пользователей, FCC выпустила Уведомление о предлагаемых правилах, которые позволят нелицензированным радиостанциям работать в диапазонах телевещания. IEEE 802.22 рабочая группа, образованная в ноябре 2004 года, поставлена задача определения стандарта воздушного интерфейса для беспроводных региональных сетей (на основе CR зондирования) для работы в нелицензируемых устройств спектра , распределенного телевизионного сервиса. Чтобы соответствовать более поздним правилам FCC о нелицензируемом использовании ТВ-спектра, IEEE 802.22 определил интерфейсы к обязательной базе данных ТВ-пустого пространства , чтобы избежать помех для действующих служб.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки