Когнитивное радио

Когнити́вное ра́дио (англ. cognitive radio, CR) — это радиосистема, которую можно программно и динамически настраивать для выбора наилучших каналов в окружающем пространстве с целью предотвращения взаимных помех и перегрузки пользователей[1].

Такое радио автоматически определяет доступные каналы и меняет параметры передачи или приёма, чтобы обеспечить одновременную работу бо́льшего количества беспроводных устройств в данном диапазоне на одной локации. Эта технология реализует принципы динамического управления спектром.

Описание

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[2].

История

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[3].

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[4]. 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[5] 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[6].

Терминология

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[7];
  • 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»)[8][9];
  • 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[10];
  • Мобильность по спектру — процесс перемещения пользователя когнитивного радио между частотами с целью поддержания качественной связи при оптимальном выборе свободных диапазонов;
  • Совместное использование спектра[11] — 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[12] — когнитивные радиоустройства сначала слушают диапазон, выделенный лицензированным сервисам, и, если они свободны, используют эти полосы, а иначе ограничивают мощность передатчика;
  • Использование базы данных спектра[13][14][15] — 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.

Технология

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 надёжно обнаруживать свободные частоты и координировать обмен данными между узлами. Показано, что простое детектирование энергии не обеспечивает достоверного определения наличия сигнала[16], поэтому требуются более сложные технологии и регулярный обмен данными о спектре. С увеличением числа кооперирующихся узлов ошибка обнаружения снижается[17].

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.

Основные функции

Ключевые функции когнитивного радио:[18][19]

  • Управление мощностью — применяется для максимизации ёмкости вторичных пользователей при ограничениях по помехам для основных сервисов[20].
  • Анализ спектра — обнаружение незанятых частот и их совместное использование без вредных помех для других пользователей. Ключевое — надёжное 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[21], шумовая неопределённость создаёт «SNR-стену», то есть уровень, ниже которого присутствие сигнала уже невозможно надёжды обнаружить даже с увеличением времени наблюдения[22][23];
      • Детектирования циклических признаков: современные сигналы (BPSK, QPSK, AM, OFDM) обладают циклической стационарностью[24], а шум — нет, что используется для надёжного определения присутствия сигналов по характерным признакам[25].
  • Широкополосный анализ спектра — анализ сотен мегагерц-гигагерц полосы с применением новых методов, например, разреженного восстановления сигнала[26].
    • Кооперативное обнаружение: используется сведения от нескольких пользователей для улучшения обнаружения основного пользователя[27].
    • 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[28]. 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

Интеллектуальная антенна (smart antenna, intelligent 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 показано в таблице ниже:

Параметр Когнитивное радио (CR) Интеллектуальная антенна (IA)
Основная цель Совместное использование спектра (open spectrum) Пространственное повторное использование (spatial reuse)
Обработка помех Избежание через анализ спектра Подавление через пространственное кодирование
Ключевая стоимость Измерения спектра и многодиапазонная РЧ Массивы антенн
Сложный алгоритм Технологии управления спектром Технологии пространственного формирования лучей
Используемые методы Программно-определяемое радио Генерализованное грязное кодирование и кодирование Вайнера — Зива
Базовый подход Ортогональная модуляция Сотовая мультисекторная схема
Конкурирующие технологии Сверхширокополосная связь для большей эффективности Мультисекторизация (3, 6, 9 и т. д.)
Резюме Технология совместного использования спектра Технология многократного (пространственного) использования спектра

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

Применение

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[29]. 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[30][31];
  • Потенциал для динамического доступа к спектру (Dynamic Spectrum Access, DSA)[32][33];
  • Военные задачи: обнаружение химических, биологических, радиоактивных угроз, командование, оценка повреждений, наблюдение за полем боя и наведение[34];
  • Создание медицинских сетей Body Area Network для мониторинга пациентов (например, сахара, давления, кислорода, ЭКГ) в режиме реального времени без риска инфекции[25];
  • Оптимизация работы беспроводных сенсорных сетей для минимизации задержек и затрат энергии при передачи пакетов[35].

Моделирование когнитивных сетей

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[36]. Открытая платформа CogNS[37] реализована на NS2. Исследования охватывают:

  1. Анализ спектра и обнаружение основного пользователя;
  2. Распределение спектра;
  3. Измерение и моделирование занятости спектра[38][39];
  4. Эффективность использования спектра[38][39].

С помощью NS3 можно моделировать и экспериментальные проверки с использованием массового железа; например, Atheros WiFi[36].

Будущее когнитивного радио

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.[40]. Для соответствия правилам FCC IEEE 802.22 использует базу данных белых пятен[41]. 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.

Примечания

  1. Мирошникова Н. Е. Обзор систем когнитивного радио // T-Comm - Телекоммуникации и Транспорт. — 2013. — № 9.
  2. Панов Илья Владимирович, Сутько Татьяна Александровна, Шувалов Роман Игоревич. Возможности когнитивного радио и когнитивных сетей по оптимизации использования радиочастотного спектра // Евразийский научный журнал. — 2015. — № 12.
  3. Mitola, Joseph (2000). “Cognitive Radio – An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio”. Diva (PhD dissertation). Киста, Швеция: KTH Royal Institute of Technology. ISSN 1403-5286.
  4. Survey on spectrum utilization in Europe: Measurements, analyses and observations (англ.). CROWNCOM 2010 Proceedings (2010). Дата обращения: 22 июня 2024. Архивировано 26 марта 2020 года.
  5. P802.22. IEEE (март 2014). Дата обращения: 22 июня 2024.
  6. Stevenson, C.; Chouinard, G.; Lei, Zhongding; Hu, Wendong; Shellhammer, S.; Caldwell, W. (2009). “IEEE 802.22: The First Cognitive Radio Wireless Regional Area Network Standard”. IEEE Communications Magazine. 47 (1): 130—138. Bibcode:2009IComM..47a.130S. DOI:10.1109/MCOM.2009.4752688. S2CID 6597913. Дата обращения 2024-06-22. |access-date= требует |url= (справка)
  7. Cognitive radio: making software radios more personal (англ.). IEEE Xplore (август 1999). Дата обращения: 22 июня 2024.
  8. IEEE 802.22. ieee802.org. Дата обращения: 22 июня 2024.
  9. Stevenson, Carl; G. Chouinard; Zhongding Lei; Wendong Hu; S. Shellhammer; W. Caldwell (январь 2009). “IEEE 802.22: The First Cognitive Radio Wireless Regional Area Networks Standard”. IEEE Communications Magazine. 47 (1): 130—138. Bibcode:2009IComM..47a.130S. DOI:10.1109/MCOM.2009.4752688. S2CID 6597913. Проверьте дату в |date= (справка на английском)
  10. IEEE 802.15.2. ieee802.org. Дата обращения: 22 июня 2024.
  11. Cognitive Radio: Brain-empowered Wireless Communications (англ.). IEEE Xplore (февраль 2005). Дата обращения: 22 июня 2024.
  12. Sensing-Based Spectrum Sharing in Cognitive Radio Networks (англ.). IEEE Xplore (октябрь 2009). Дата обращения: 22 июня 2024.
  13. Villardi, Gabriel Porto; Harada, Hiroshi; Kojima, Fumihide; Yano, Hiroyuki (2016). “Primary Contour Prediction based on Detailed Topographic Data and its Impact on TV White Space Availability”. IEEE Transactions on Antennas and Propagation [англ.]. 64 (8): 3619—3631. Bibcode:2016ITAP...64.3619V. DOI:10.1109/TAP.2016.2580164. S2CID 22471055. Дата обращения 2024-06-22. |access-date= требует |url= (справка)
  14. Villardi, Gabriel Porto; Harada, Hiroshi; Kojima, Fumihide; Yano, Hiroyuki (2017). “Multi-Level Protection to Broadcaster Contour and its Impact on TV White Space Availability”. IEEE Transactions on Vehicular Technology [англ.]. 66 (2): 1393—1407. Bibcode:2017ITVT...66.1393V. DOI:10.1109/TVT.2016.2566675. S2CID 206819681. Дата обращения 2024-06-22. |access-date= требует |url= (справка)
  15. White Space Database Administrators Guide (англ.). Federal Communications Commission (12 октября 2011). Дата обращения: 22 июня 2024.
  16. Some Fundamental Limits on Cognitive Radio (англ.) (11 февраля 2005). Дата обращения: 22 июня 2024. Архивировано 18 декабря 2006 года.
  17. J. Hillenbrand; T. A. Weiss; F. K. Jondral (2005). “Calculation of detection and false alarm probabilities in spectrum pooling systems”. IEEE Communications Letters [англ.]. 9 (4): 349—351. Bibcode:2005IComL...9..349H. DOI:10.1109/LCOMM.2005.1413630. ISSN 1089-7798. S2CID 23646184. Дата обращения 2024-06-22. |access-date= требует |url= (справка)
  18. Ian F. Akyildiz, W.-Y. Lee, M. C. Vuran, S. Mohanty, "NeXt Generation/Dynamic Spectrum Access/Cognitive Radio Wireless Networks: A Survey, " Computer Networks (Elsevier), сентябрь 2006. [1]
  19. Cognitive Functionality in Next Generation Wireless Networks (англ.). Дата обращения: 22 июня 2024. Архивировано 18 ноября 2008 года.
  20. Optimal power allocation for fading channels in cognitive radio networks: Ergodic capacity and outage capacity (англ.). IEEE Xplore (февраль 2009). Дата обращения: 22 июня 2024.
  21. Urkowitz, H. (1967). “Energy detection of unknown deterministic signals”. Proceedings of the IEEE. 55 (4): 523—531. Bibcode:1967IEEEP..55..523U. DOI:10.1109/PROC.1967.5573.
  22. Tandra, Rahul; Sahai, Anant (2008). “SNR Walls for Signal Detection”. IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing [англ.]. 2 (1): 4—17. Bibcode:2008ISTSP...2....4T. CiteSeerX 10.1.1.420.9680. DOI:10.1109/JSTSP.2007.914879. S2CID 14450540. Дата обращения 2024-06-22. |access-date= требует |url= (справка)
  23. A. Mariani; A. Giorgetti; M. Chiani (декабрь 2011). “Effects of Noise Power Estimation on Energy Detection for Cognitive Radio Applications”. IEEE Trans. Commun. [англ.]. 50 (12). Дата обращения 2024-06-22. Проверьте дату в |date= (справка на английском)
  24. Gardner, W.A. (1991). “Exploitation of spectral redundancy in cyclostationary signals”. IEEE Signal Processing Magazine [англ.]. 8 (2): 14—36. Bibcode:1991ISPM....8...14G. DOI:10.1109/79.81007. S2CID 21643558. Дата обращения 2024-06-22. |access-date= требует |url= (справка)
  25. 1 2 Recent Advances in Cognitive Radios. cse.wustl.edu. Дата обращения: 22 июня 2024.
  26. Wideband spectrum sensing for cognitive radio networks: a survey (англ.). IEEE Xplore (апрель 2013). Дата обращения: 22 июня 2024.
  27. A Distributed Consensus-Based Cooperative Spectrum Sensing in Cognitive Radios (англ.). IEEE Xplore (январь 2010). Дата обращения: 22 июня 2024.
  28. Puzzle-based auction mechanism for spectrum sharing in cognitive radio networks (англ.). IEEE Xplore (октябрь 2016). Дата обращения: 22 июня 2024.
  29. Data-Throughput Enhancement Using Data Mining-Informed Cognitive Radio (англ.). Electronics (2015). Дата обращения: 22 июня 2024.
  30. Villardi, G. P.; Abreu, G. Thadeu Freitas de; Harada, H. (1 июня 2012). “TV White Space Technology: Interference in Portable Cognitive Emergency Network”. IEEE Vehicular Technology Magazine [англ.]. 7 (2): 47—53. DOI:10.1109/MVT.2012.2190221. ISSN 1556-6072. Дата обращения 2024-06-22. |access-date= требует |url= (справка)
  31. Ferrus, R.; Sallent, O.; Baldini, G.; Goratti, L. (1 июня 2012). “Public Safety Communications: Enhancement Through Cognitive Radio and Spectrum Sharing Principles”. IEEE Vehicular Technology Magazine [англ.]. 7 (2): 54—61. DOI:10.1109/MVT.2012.2190180. ISSN 1556-6072. Дата обращения 2024-06-22. |access-date= требует |url= (справка)
  32. Khattab, Ahmed. Opportunistic Spectrum Access Challenges in Distributed Cognitive Radio Networks // Cognitive Radio Networks : [англ.] / Ahmed Khattab, Dmitri Perkins, Magdy Bayoumi. — Springer New York, 1 января 2013. — P. 33–39. — ISBN 978-1-4614-4032-1. — doi:10.1007/978-1-4614-4033-8_4.
  33. Tallon, J.; Forde, T. K.; Doyle, L. (1 июня 2012). “Dynamic Spectrum Access Networks: Independent Coalition Formation”. IEEE Vehicular Technology Magazine [англ.]. 7 (2): 69—76. DOI:10.1109/MVT.2012.2190218. ISSN 1556-6072. Дата обращения 2024-06-22.
  34. Joshi, Gyanendra Prasad; Nam, Seung Yeob; Kim, Sung Won (22 августа 2013). “Cognitive Radio Wireless Sensor Networks: Applications, Challenges and Research Trends”. Sensors [англ.]. 13 (9): 11196—11228. DOI:10.3390/s130911196. ISSN 1424-8220. PMC 3821336. PMID 23974152. |access-date= требует |url= (справка)
  35. To Relay or Not to Relay in Cognitive Radio Sensor Networks (англ.). IEEE Xplore (ноябрь 2015). Дата обращения: 22 июня 2024.
  36. 1 2 Shattal, M. A.; Wisniewska, A.; Khan, B.; Al-Fuqaha, A.; Dombrowski, K. (сентябрь 2018). “From Channel Selection to Strategy Selection: Enhancing VANETs Using Socially-Inspired Foraging and Deference Strategies”. IEEE Transactions on Vehicular Technology [англ.]. 67 (9): 8919—8933. DOI:10.1109/TVT.2018.2853580. Дата обращения 2024-06-22. Проверьте дату в |date= (справка на английском)
  37. CogNS: A simulation framework for cognitive radio networks (англ.). cogns.net. Дата обращения: 22 июня 2024.
  38. 1 2 Villardi, Gabriel; Sum, Chin-Sean; Sun, Chen; Alemseged, Yohannes; Lan, Zhou; Harada, Hiroshi (2012). “Efficiency of Dynamic Frequency Selection Based Coexistence Mechanisms for TV White Space Enabled Cognitive Wireless Access Points”. IEEE Wireless Communications [англ.]. 19 (6): 69—75. DOI:10.1109/MWC.2012.6393520. S2CID 3134504. Дата обращения 2024-06-22. |access-date= требует |url= (справка)
  39. 1 2 Villardi, Gabriel; Alemseged, Yohannes; Sun, Chen; Sum, Chin-Sean; Nguyen, Tran; Baykas, Tuncer; Harada, Hiroshi (2011). “Enabling Coexistence of Multiple Cognitive Networks in TV White Space”. IEEE Wireless Communications [англ.]. 18 (4): 32—40. Bibcode:2011IWC....18d..32V. DOI:10.1109/MWC.2011.5999762. S2CID 28929874. Дата обращения 2024-06-22. |access-date= требует |url= (справка)
  40. IEEE 802.22: An Introduction to the First Wireless Standard based on Cognitive Radios (англ.). IEEE Spectrum (апрель 2006). Дата обращения: 22 июня 2024.
  41. The IEEE 802.22 WRAN Standard and its interface to the White Space Database (англ.). IETF PAWS. Дата обращения: 22 июня 2024.