Когнитивное радио

A когнитивное радио (CR) - это радио, которое можно запрограммировать и настроить динамически для использования наилучшего беспроводных каналов в непосредственной близости, чтобы избежать вмешательства пользователя и перегрузки. Такой радиомодуль автоматически обнаруживает доступные каналы в беспроводном спектре, затем соответственно изменяет свои параметры передача или прием, чтобы обеспечить более одновременную беспроводную связь в заданный диапазон спектра в одном месте. Этот процесс является формой динамического управления спектром.

Содержание

• 1 Описание
• 2 История
• 3 Терминология
• 4 Технология
  • 4.1 Функции
  • 4.2 Интеллектуальная антенна (IA)
• 5 Приложения
• 6 Моделирование сетей CR
• 7 Планы на будущее
• 8 См. Также
• 9 Ссылки
• 10 Внешние ссылки

Описание

В ответ на по командам оператора, когнитивный движок может настраивать параметры радиосистемы. К этим параметрам относятся «форма сигнала, протокол, рабочая частота 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 свою производительность» в дополнение к «считыванию выходных данных радио»; затем он использует эту информацию для «определения среды RF, состояния канала, характеристик канала и т. д.» и регулирует «настройки радиомодуля для обеспечения требуемого качества обслуживания с учетом соответствующей комбинации требований пользователя, эксплуатационные ограничения и нормативные ограничения ".

Некоторые предложения по "интеллектуальному радио" объединяют ячеистую беспроводную 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 сообщением между двумя последовательными узлами.

Дж. Х. Снайдер, Лоуренс Лессиг, Дэвид Вайнбергер и другие говорят, что маломощное «умное» радио по своей природе превосходит стандартное радиовещание.

История

Концепция когнитивного радио была впервые предложена Джозефом Митолой III на семинаре в KTH (Королевский технологический институт в Стокгольме).) в 1998 году и опубликована в статье Митолы и Джеральда К. Магуайра-младшего в 1999 году. Это был новый подход к беспроводной связи, который Митола позже описал как:

точка, в которой беспроводные персональные цифровые помощники (КПК) и соответствующие сети обладают достаточным вычислительным интеллектом в отношении радиоресурсов и связанных компьютерно-компьютерных коммуникаций, чтобы обнаруживать потребности пользователя в связи в зависимости от контекста использования и предоставлять радиоресурсы и беспроводные услуги, наиболее соответствующие этим потребностям.

Когнитивное радио рассматривается как цель, ради которой должна развиваться платформа программно-определяемого радио : 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 большинство радиочастот спектр использовался неэффективно. Полосы сотовой сети перегружены в большинстве частей мира, но другие диапазоны частот (например, военные, любительское радио и пейджинговые частоты) используются недостаточно. Независимые исследования, проведенные в некоторых странах, подтвердили это наблюдение и пришли к выводу, что использование спектра зависит от времени и места. Кроме того, фиксированное распределение спектра предотвращает использование редко используемых частот (присвоенных конкретным службам), даже если любые нелицензированные пользователи не будут создавать заметных помех присвоенной службе. Регулирующие органы в мире рассматривают вопрос о том, разрешить ли нелицензированным пользователям работать в лицензированных диапазонах, если они не будут создавать никаких помех для лицензированных пользователей. Эти инициативы были сосредоточены на исследованиях когнитивного радио на динамическом доступе к спектру.

Первый стандарт беспроводной региональной сети когнитивного радио, IEEE 802.22, был разработан Комитетом по стандартам IEEE 802 LAN / MAN (LMSC) и опубликован в 2011 году. Этот стандарт использует геолокацию и спектральное зондирование для спектральной осведомленности. Геолокация объединяется 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 лицензированным передачам.

Терминология

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

• Полное когнитивное радио (Mitola Radio), в котором учитываются все возможные параметры, наблюдаемые беспроводным узлом (или сетью).
• Когнитивное радио с обнаружением спектра, в котором учитывается 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 ). Рабочая группа IEEE 802.22 разрабатывает стандарт беспроводной региональной сети (WRAN), который будет работать с неиспользуемыми телевизионными каналами, также известными как TV белые пространства.
• Нелицензионное когнитивное радио, который 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.
• Спектральная мобильность: процесс, с помощью которого когнитивная -radio пользователь меняет частоту работы. Сети когнитивной радиосвязи нацелены на использование спектра динамическим образом, позволяя радиотерминалам работать в наилучшем доступном частотном диапазоне, обеспечивая бесперебойную связь во время перехода к лучшему спектру.
• Совместное использование спектра: сети когнитивного радио с совместным использованием спектра позволяют пользователям когнитивного радио совместно использовать диапазоны 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: При совместном использовании спектра на основе зондирования когнитивное радио сети, пользователи когнитивного радио сначала слушают спектр, выделенный лицензированным пользователям, чтобы определить состояние лицензированных пользователей. На основании результатов обнаружения пользователи когнитивного радио определяют 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 режиме совместного использования спектра пользователи когнитивного радио необходимы для доступа к базе данных пробелов до того, как будет разрешен или запрещен доступ к совместно используемому спектру. База данных пустого 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 пробелов решит, что деструктивные помехи для действующих операторов будут происходить, пользователю когнитивного радио будет отказано в доступе к совместно используемому спектру.

Технология

Хотя когнитивное радио изначально задумывалось как В качестве расширения программно-определяемого радио (полное когнитивное радио) большая часть исследовательской работы сосредоточена на когнитивном радио с распознаванием спектра (особенно в диапазонах TV ). 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 наличия сигнала, что требует более сложных методов измерения спектра и требует регулярного обмена информацией о спектральном измерении между узлами. Увеличение числа взаимодействующих узлов восприятия снижает вероятность ложного обнаружения.

Возможным подходом является адаптивное заполнение свободных радиочастотных полос 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 OFDMA поддиапазонов. Применения когнитивного радио с распознаванием спектра включают экстренную сеть и WLAN с более высокой пропускной способностью и расширения на -дальность передачи. Эволюция когнитивного радио в сторону когнитивных сетей продолжается; концепция когнитивных сетей заключается в разумной организации сети когнитивных радиостанций.

Функции

Основные функции когнитивных радиостанций:

• 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 основные пользователи.
• Измерение спектра: обнаружение неиспользуемого спектра и его совместное использование без вредных помех для других пользователей; Важным требованием сети когнитивного радио является восприятие пустого спектра. Обнаружение основных пользователей - наиболее эффективный способ обнаружения пустого спектра. Методы измерения спектра можно разделить на три категории:
  • Обнаружение передатчика: когнитивные радиостанции должны иметь возможность определять, присутствует ли сигнал от основного передатчика локально в определенном спектре. Существует несколько предлагаемых подходов к обнаружению передатчика:
    • согласованный фильтр обнаружение
    • 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 неполное знание мощности шума (неопределенность шума) может привести к явлению стенки SNR, которая представляет собой уровень SNR, ниже которого детектор энергии не может надежно обнаружить любой передаваемый сигнал, даже увеличение времени наблюдения. Также было показано, что граница отношения сигнал / шум вызвана не наличием самой шумовой неопределенности, а недостаточным уточнением оценки мощности шума при увеличении времени наблюдения.
    • Циклостационарное -обнаружение признаков: эти типы алгоритмов измерения спектра мотивированы 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. Цель таких детекторов - использовать циклостационарную природу искусственных сигналов связи, скрытых за шумом. Их главный параметр решения - это сравнение ненулевых значений, полученных с помощью CSD первичного сигнала. Циклостационарные детекторы могут быть одноцикловыми или многоцикловыми циклостатонными.
• Широкополосное спектральное зондирование: относится к спектральному зондированию в большой спектральной полосе, обычно 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 измерения и дискретизации суб-Найквиста.
  • Совместное обнаружение: относится к методам измерения спектра, при которых информация из нескольких когнитивных- радиопользователи включены для обнаружения основного пользователя
  • Обнаружение на основе помех
• CR на основе нулевого пространства: с помощью нескольких антенн CR обнаруживает нулевое пространство основного пользователя и затем передает в нулевое пространство, так что его последующая передача вызывает меньше помех для основного пользователя
• Управление спектром: захват наилучшего доступного спектра для удовлетворения требований пользователя к связи, при этом не создавая чрезмерных помех другим (основным) пользователям. Когнитивные радиостанции должны выбрать лучшую полосу спектра (из всех доступных полос) для удовлетворения требований качества обслуживания ; поэтому для когнитивных радиоприемников требуются функции управления использованием спектра. Функции управления использованием спектра классифицируются следующим образом:
  • Анализ спектра
  • Решение о спектре

Практическая реализация функций управления использованием спектра является сложной и многогранной проблемой, поскольку она должна решать различные технические вопросы. и юридические требования. Примером первого является выбор подходящего порога чувствительности для обнаружения других пользователей, а вторым примером является необходимость соблюдения правил и положений, установленных для доступа к радиочастотному спектру в международном (правила радиосвязи МСЭ) и национальном (закон о телекоммуникациях) законодательстве..

Интеллектуальная антенна (IA)

Интеллектуальная антенна (или интеллектуальная антенна) - это антенная технология, которая использует пространственное формирование луча 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:

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

Кооперативный MIMO (CO-MIMO) объединяет оба метода.

Приложения

Cognitive Radio (CR) может определять окружающую среду и без вмешательства пользователя может адаптироваться к коммуникационным потребностям пользователя, при этом соблюдая правила FCC в Соединенные Штаты. 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 возможности 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
• Возможности 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 целеуказание.
• также доказано, что они полезны 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, электрокардиограмма (ЭКГ) и т. д. дает дополнительное преимущество в снижении риска инфекций, а также увеличивает подвижность пациента.
• Когнитивное радио применимо также к беспроводной сети датчиков rks, 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 моделирование является единственной парадигмой, которая позволяет моделировать сложное поведение в когнитивных радиосетях данной среды. Сетевые симуляторы, такие как OPNET, 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 действующих лиц
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 может также использоваться для имитации и экспериментов в сетях CR с помощью стандартного оборудования, такого как WiFi-устройства Atheros.

Планы на будущее

Успех нелицензированного диапазона в обеспечении широкого диапазона беспроводных Устройства и услуги побудили FCC рассмотреть возможность открытия дополнительных диапазонов для нелицензионного использования. Напротив, лицензированные диапазоны 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. Рабочей группе IEEE 802.22, сформированной в ноябре 2004 г., поручено определить стандарт радиоинтерфейса для беспроводных региональных сетей (на основе определения CR) для работы нелицензированных устройств в спектре, выделенном для телевизионных услуг.. Чтобы соответствовать более поздним правилам Федеральной комиссии связи США по нелицензированному использованию ТВ-спектра, в стандарте IEEE 802.22 определены интерфейсы к обязательной базе данных пустого пространства ТВ, чтобы избежать помех действующим службам. 182>Схемы распределения каналов

Ссылки

Внешние ссылки

• Семинар по когнитивному радио Центра беспроводных исследований Беркли - первый семинар по когнитивному радио; Основное внимание в нем уделялось исследованиям в рамках темы
• Центр беспроводных телекоммуникаций (CWT), Virginia Tech
• Cognitive Radio Technologies Proceeding of Federal Communications Commission - Правила Федеральной комиссии по связи по когнитивному радио
• IEEE DySPAN Конференция