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.
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].
- Детектирование передатчика: определение наличия локального сигнала от основного передатчика посредством:
- 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 (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:
- Анализ спектра и обнаружение основного пользователя;
- Распределение спектра;
- Измерение и моделирование занятости спектра[38][39];
- 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
- ↑ Мирошникова Н. Е. Обзор систем когнитивного радио // T-Comm - Телекоммуникации и Транспорт. — 2013. — № 9.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ P802.22. IEEE (март 2014). Дата обращения: 22 июня 2024.
- ↑ 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) - ↑ Cognitive radio: making software radios more personal (англ.). IEEE Xplore (август 1999). Дата обращения: 22 июня 2024.
- ↑ IEEE 802.22. ieee802.org. Дата обращения: 22 июня 2024.
- ↑ 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) - ↑ IEEE 802.15.2. ieee802.org. Дата обращения: 22 июня 2024.
- ↑ Cognitive Radio: Brain-empowered Wireless Communications (англ.). IEEE Xplore (февраль 2005). Дата обращения: 22 июня 2024.
- ↑ Sensing-Based Spectrum Sharing in Cognitive Radio Networks (англ.). IEEE Xplore (октябрь 2009). Дата обращения: 22 июня 2024.
- ↑ 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) - ↑ 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) - ↑ White Space Database Administrators Guide (англ.). Federal Communications Commission (12 октября 2011). Дата обращения: 22 июня 2024.
- ↑ Some Fundamental Limits on Cognitive Radio (англ.) (11 февраля 2005). Дата обращения: 22 июня 2024. Архивировано 18 декабря 2006 года.
- ↑ 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) - ↑ 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]
- ↑ Cognitive Functionality in Next Generation Wireless Networks (англ.). Дата обращения: 22 июня 2024. Архивировано 18 ноября 2008 года.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ 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) - ↑ 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) - ↑ 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) - ↑ 1 2 Recent Advances in Cognitive Radios. cse.wustl.edu. Дата обращения: 22 июня 2024.
- ↑ Wideband spectrum sensing for cognitive radio networks: a survey (англ.). IEEE Xplore (апрель 2013). Дата обращения: 22 июня 2024.
- ↑ A Distributed Consensus-Based Cooperative Spectrum Sensing in Cognitive Radios (англ.). IEEE Xplore (январь 2010). Дата обращения: 22 июня 2024.
- ↑ Puzzle-based auction mechanism for spectrum sharing in cognitive radio networks (англ.). IEEE Xplore (октябрь 2016). Дата обращения: 22 июня 2024.
- ↑ Data-Throughput Enhancement Using Data Mining-Informed Cognitive Radio (англ.). Electronics (2015). Дата обращения: 22 июня 2024.
- ↑ 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) - ↑ 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) - ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ 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) - ↑ To Relay or Not to Relay in Cognitive Radio Sensor Networks (англ.). IEEE Xplore (ноябрь 2015). Дата обращения: 22 июня 2024.
- ↑ 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) - ↑ CogNS: A simulation framework for cognitive radio networks (англ.). cogns.net. Дата обращения: 22 июня 2024.
- ↑ 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) - ↑ 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) - ↑ IEEE 802.22: An Introduction to the First Wireless Standard based on Cognitive Radios (англ.). IEEE Spectrum (апрель 2006). Дата обращения: 22 июня 2024.
- ↑ The IEEE 802.22 WRAN Standard and its interface to the White Space Database (англ.). IETF PAWS. Дата обращения: 22 июня 2024.
Ссылки
- Семинар по когнитивному радио в Berkeley Wireless Research Center — первый семинар, посвящённый проблемам исследований в данной области.
- Центр беспроводных телекоммуникаций (CWT), Вирджинский политехнический институт
- Проект «Когнитивное радио» Федеральной комиссии по связи США
- Конференция IEEE DySPAN