Когнитивное радио

В ответ на команды оператора когнитивный движок способен настраивать параметры радиосистемы, включая «формат сигнала, протокол, рабочую частоту и параметры соединения». Когнитивное радио функционирует как автономная единица в среде связи, обмениваясь информацией о внешних условиях с сетями, к которым оно подключено, и с другими когнитивными радиоустройствами. Оно «постоянно мониторит свою собственную работу», анализирует выходные сигналы и использует эти данные для оценки «радиочастотной (РЧ) среды, состояния канала, характеристик соединения и др.». В зависимости от этих условий радио автоматически регулирует свои параметры для обеспечения требуемого качества обслуживания с учётом сочетания требований пользователя, технических ограничений и нормативных предписаний.

Некоторые концепции «интеллектуального радио» сочетают в себе принципы беспроводных ячеистых сетей — динамическое изменение маршрута между двумя узлами с помощью кооперативного разнообразия; когнитивного радио — динамическое изменение рабочего диапазона между двумя последовательными узлами; и программно-определяемое радио — динамическое изменение протокола передачи сообщений.

Понятие когнитивного радио впервые было предложено Джозефом Митолой III (Joseph Mitola III) на семинаре в Королевском технологическом институте (KTH) в Стокгольме в 1998 году и опубликовано им совместно с Джеральдом К. Магуайром-младшим в 1999 году. Это был новый подход в беспроводных коммуникациях, который Митола позже описал так:

Точка, в которой беспроводные наладонники (PDA) и связанные с ними сети становятся достаточно интеллектуальными в плане вычислительных возможностей для анализа радиоресурсов и взаимодействия между компьютерами, чтобы автоматически определять коммуникационные потребности пользователя исходя из контекста и предоставлять такие радиоуслуги и ресурсы, которые наиболее соответствуют этим нуждам^[1].

Когнитивное радио рассматривается как эволюционная цель для платформ программно-определяемых радиосистем: полностью перенастраиваемый беспроводной передатчик/приёмник, который автоматически изменяет параметры коммуникации в ответ на условия сети и требования пользователей.

Традиционные регуляторные структуры были созданы для аналоговой модели радиосвязи и не оптимизированы для когнитивного радио. Регуляторные органы (в том числе Федеральная комиссия по связи (FCC) в США и Ofcom в Великобритании), а также независимые исследовательские кампании пришли к выводу, что значительная часть радиочастотного спектра используется неэффективно^[2]. В то же время диапазоны сотовой связи перегружены во многих регионах мира, а другие — военные, любительские, пейджинговые — используютcя недостаточно. Исследования показали, что использование спектра зависит от времени и места. Фиксированное распределение спектра мешает использованию редко применяемых частот другими устройствами даже при отсутствии помех лицензированным сервисам. Регуляторы обсуждают возможность допуска нелицензированных пользователей в лицензированные диапазоны при условии отсутствия помех легальным пользователям, что стимулирует исследования именно в области динамического доступа к спектру.

Первый стандарт региональной беспроводной сети, основанный на когнитивном радио, IEEE 802.22, был разработан комитетом IEEE 802 LAN/MAN^[3] и опубликован в 2011 году. Он предусматривает использование геолокации и спектрального анализа для обнаружения свободных каналов. Геолокация сочетается с базой данных лицензированных передатчиков, чтобы определить доступные каналы. Спектральный анализ позволяет анализировать занятость диапазонов и избегать интерференций с лицензированными сигналами. Стандарт нацелен на использование неиспользуемых телевизионных каналов (так называемых «белых пятен»). Однако, поскольку наличия свободного спектра зависит от изменений окружающей среды, сеть должна адаптироваться и перемещаться в свободные участки при необходимости^[4].

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

• Полное когнитивное радио (радио по Митоле) — учитывает все возможные параметры, наблюдаемые беспроводным узлом или сетью^[5].
• Когнитивное радио с анализом спектра — учитывает только состояние радиочастотного спектра.

Также выделяют другие типы в зависимости от спектра:

• Когнитивное радио в лицензированных диапазонах — использует диапазоны, выделенные для лицензированных пользователей (за исключением нелицензированных диапазонов вроде U-NII или ISM). Рабочая группа IEEE 802.22 разрабатывает стандарт для таких сетей, работающих на неиспользуемых телевизионных каналах («белых пятнах»)^[6].^[7]
• Когнитивное радио в нелицензированных диапазонах — может работать только на частотах, не требующих лицензирования. Примером служит система, описанная в спецификациях IEEE 802.15 Task Group 2, сосуществования Wi-Fi и Bluetooth^[8].
• Мобильность по спектру — процесс перемещения пользователя когнитивного радио между частотами с целью поддержания качественной связи при оптимальном выборе свободных диапазонов.
• Совместное использование спектра^[9] — позволяет пользователям когнитивного радио делить спектральные ресурсы с лицензированными сервисами при условии ограничения мощности передатчика, чтобы не превышать допустимый уровень помех для основных пользователей.
• Совместное использование спектра с анализом^[10] — когнитивные радиоустройства сначала слушают диапазон, выделенный лицензированным сервисам, и, если они свободны, используют эти полосы, а иначе ограничивают мощность передатчика.
• Использование базы данных спектра^[11][12][13] — когнитивные устройства обязаны обращаться к базе данных белых пятен, чтобы определить допустимость работы в том или ином участке спектра. База данных содержит модели для прогноза использования частот и оценки риска помех существующим сервисам.

Хотя когнитивное радио первоначально рассматривалось как продолжение программно-определяемых радиосистем (полное когнитивное радио), основная часть исследований посвящена анализу спектра, особенно в ТВ-диапазонах. Главной задачей такой радиосвязи является создание устройств и алгоритмов, способных надежно обнаруживать свободные частоты и координировать обмен данными между узлами. Показано, что простое детектирование энергии не обеспечивает достоверного определения наличия сигнала^[14], поэтому требуются более сложные технологии и регулярный обмен данными о спектре. С увеличением числа кооперирующихся узлов ошибка обнаружения снижается^[15].

Использование свободных участков спектра с помощью OFDMA — пример подхода, предложенного учёными Университета Карлсруэ. Применение когнитивного радио включает сети экстренных служб, Wi-Fi и расширения передачи данных на дальние расстояния посредством интеллектуального анализа спектра. Также идёт развитие концепции когнитивных сетей, то есть самоорганизующихся сетей на основе когнитивного радио.

Ключевые функции когнитивного радио:^[16][17]

• Управление мощностью — применяется для максимизации ёмкости вторичных пользователей при ограничениях по помехам для основных сервисов^[18].
• Анализ спектра — обнаружение незанятых частот и их совместное использование без вредных помех для других пользователей. Ключевое — надежное определение присутствия основного пользователя; методики делятся на три класса:
  • Детектирование передатчика: определение наличия локального сигнала от основного передатчика посредством:
    • Согласованного фильтра
    • Детектирования энергии: определяется наличия сигнала по измерению мощности; требуется информация о шуме^[19], шумовая неопределённость создает «SNR-стену», то есть уровень, ниже которого присутствие сигнала уже невозможно надёжды обнаружить даже с увеличением времени наблюдения^[20][21].
    • Детектирования циклических признаков: современные сигналы (BPSK, QPSK, AM, OFDM) обладают циклической стационарностью^[22], а шум — нет, что используется для надежного определения присутствия сигналов по характерным признакам^[23].
• Широкополосный анализ спектра — анализ сотен мегагерц-гигагерц полосы с применением новых методов, например, разреженного восстановления сигнала^[24].
  • Кооперативное обнаружение: используется сведения от нескольких пользователей для улучшения обнаружения основного пользователя^[25]
  • Детектирование по помехам
• Когнитивное радио с использованием «нулевого пространства»: за счёт применения нескольких антенн передача ведётся по направлениям, где отсутствует основной пользователь;
• Управление (менеджмент) спектром: выбор и оптимальное распределение каналов с учётом качества обслуживания, помех и нормативов. К функциям относятся анализ, выбор и принятие решений о спектре^[26]. Практическая реализация требует как технического, так и правового соответствия (например, определение порога обнаружения других пользователей и соблюдение международных и национальных требований). Алгоритмы на базе искусственного интеллекта для динамического распределения спектра и управления помехами рассматриваются как ключевой инструмент будущих стандартов связи, таких как 6G.

Интеллектуальная антенна (smart antenna, IA) — технология антенн, использующая пространственную направленность и кодирование для подавления помех; развивается применение и кооперативных антенных массивов. В отличие от этого когнитивное радио обеспечивает динамическое использование частот за счёт анализа занятости спектра соседними пользователями. Сравнение:

Обе технологии могут комбинироваться, как показано в современных схемах передачи данных, например, в кооперативном MIMO (CO-MIMO).

Когнитивное радио способно самостоятельно оценивать окружение и без вмешательства пользователя подстраиваться под его коммуникационные потребности. Несмотря на теоретическую бесконечность спектра, практически востребованы только отдельные участки, поэтому эффективное использование спектра становится важнейшей задачей. Когнитивное радио предлагает решение: устройство способно интеллектуально определять занятость любого участка спектра и временно использовать его без помех^[27]. По мнению Брюса Фетта, другие когнитивные возможности включают определение координат, анализ занятости спектра соседними устройствами, смену частоты, автокоррекцию мощности и автомодификацию параметров передачи, что обеспечивает гибкость и эффективность спектра даже в реальном времени.

Примеры применения:

• Аварийные и служебные коммуникации в «белых пятнах» радиодиапазона^[28][29]
• Потенциал для динамического доступа к спектру (Dynamic Spectrum Access, DSA)^[30][31]
• Военные задачи: обнаружение химических, биологических, радиоактивных угроз, командование, оценка повреждений, наблюдение за полем боя и наведение^[32].
• Создание медицинских сетей Body Area Network для мониторинга пациентов (например, сахара, давления, кислорода, ЭКГ) в режиме реального времени без риска инфекции^[23].
• Оптимизация работы беспроводных сенсорных сетей для минимизации задержек и затрат энергии при передачи пакетов^[33].

В настоящее время единственный способ симулировать поведение сложных когнитивных сетей — это имитационное моделирование. Для этого используются такие среды, как OPNET, NetSim, MATLAB, ns2 и NS3^[34]. Открытая платформа CogNS^[35] реализована на NS2. Исследования охватывают:

1. Анализ спектра и обнаружение основного пользователя
2. Распределение спектра
3. Измерение и моделирование занятости спектра^[36][37]
4. Эффективность использования спектра^[36][37]

С помощью NS3 можно моделировать и экспериментальные проверки с использованием массового железа; например, Atheros WiFi^[34]

Успех нелицензированных диапазонов в интеграции множества устройств и сервисов побуждает регуляторов (например, FCC) рассматривать открытие новых диапазонов для нелицензированных сервисов. В отличие от этого лицензированные полосы спектра остаются недоиспользованными. Использование когнитивного радио позволяет использовать эти диапазоны без вреда существующим пользователям. Рабочая группа IEEE 802.22 сформирована в 2004 году с целью стандартизации интерфейса беспроводных региональных сетей на основе когнитивного радио.^[38]. Для соответствия правилам FCC IEEE 802.22 использует базу данных белых пятен^[39]. Несмотря на снижение сложности приёмников и частоты ошибок благодаря базе данных, эффективность использования полосы страдает из-за ограничений точности таких моделей и отсутствия обновления в реальном времени. Кооперативные стратегии обнаружения занятости спектра на базе искусственного интеллекта рассматриваются как направление для баланса между эффективностью и защитой от помех.