Кіріспе
Когнитивті радио (КР) – қолданушы кедергісінен және жеңілдеуден сақтану үшін өзінің жанындағы ең қолайлы арналарды пайдалануға динамикалық түрде бағдарламаланатын және конфигурацияланатын радио. Мұндай радио қолданыстағы арналарды автоматты түрде анықтайды, содан кейін берілген жиілік диапазонында бір уақытта көптеген сымсыз байланыстарды жүзеге асыру үшін тарату немесе қабылдау параметрлерін сәйкесінше өзгертеді. Бұл процесс динамикалық спектрді басқарудың бір түрі болып табылады.
Сипаттама
Оператордың бұйрықтарына жауап ретінде когнитивтік қозғалтқыш радио жүйе параметрлерін конфигурациялай алады. Бұл параметрлерге "толқын пішіні, протокол, жұмыс жиілігі және желілік байланыс" жатады. Бұл, байланыс ортасындағы автономды құрылмы ретінде жұмыс істейді, қолжетімді желілермен және басқа когнитивтік радиолармен (CR) орта туралы ақпарат алмасады. CR, "радио шығыстарын оқумен" қатар, "өз жұмысын үздіксіз бақылайды"; содан кейін ол осы ақпаратты "радио жиіліктік ортаны, канал жағдайларын, байланыс өнімділігін және т.б. анықтау үшін" пайдаланады және "пайдаланушы талаптарының, операциялық шектеулердің және нормативтік талаптардың тиісті үйлесіміне сәйкес қажетті қызмет сапасын қамтамасыз ету үшін радио параметрлерін реттейді". Кейбір "ақылды радио" ұсыныстары сымсыз торлы желілерді – екі түйін арасындағы хабарламалардың жолын өзара ынтымақтастық арқылы динамикалық түрде өзгертетін; когнитивтік радионы – жолдағы екі тікелей түйін арасындағы хабарламалар қолданатын жиілік диапазонын динамикалық түрде өзгертетін; және бағдарламаланатын радионы – екі тікелей түйін арасындағы хабарламалар қолданатын протоколды динамикалық түрде өзгертетін жүйелерді біріктіреді.
Тарих
Когнитивті радио тұжырымдамасын алғаш рет Жозеф Митола III 1998 жылы Стокгольмдегі KTH Корольдік технология институтында өткен семинарда ұсынды және 1999 жылы Митола мен Джеральд К. Магуайр, кіші, жариялаған мақаласында келтірді. Бұл сымсыз байланыстағы жаңа тәсіл болды, оны Митола кейіннен былай деп сипаттады: сымсыз жеке цифрлық көмекшілер (PDA) және олармен байланысты желілер радиоресурстар мен компьютерлік байланыстарға қатысты есептеу интеллектына ие, пайдалану контексіне байланысты пайдаланушының байланыс қажеттіліктерін анықтап, осы қажеттіліктерге ең қолайлы радиоресурстар мен сымсыз қызметтерді ұсыну. Когнитивті радио – бұл бағдарламалық қамтамасыз етілген радио платформасының дамуына бағытталған мақсат: желі мен пайдаланушының талаптарына сәйкес байланыс параметрлерін автоматты түрде бейімдейтін, толыққанды қайта конфигурацияланатын сымсыз қабылдағыш. Дәстүрлі реттеуші құрылымдар аналогты модельге негізделген және когнитивті радио үшін оңтайландырылмаған. Әлемдік реттеуші органдар (АҚШ-тағы Федералды байланыс комиссиясы және Ұлыбританиядағы Ofcom сияқты) және түрлі тәуелсіз зерттеулер радиожиілік спектрінің көп бөлігі тиімсіз пайдаланылатынын көрсетті. Көптеген елдерде ұялы байланыс желілерінің жолақтары жүктеліп жұмыс істейді, бірақ басқа жиіліктер (әскери, радио әуесқойлары және пейджер жиіліктері сияқты) жеткілікті түрде пайдаланылмайды. Кейбір елдерде жүргізілген тәуелсіз зерттеулер осы тұжырымды растады және спектрді пайдалану уақыт пен орынға байланысты екенін көрсетті. Сонымен қатар, белгілі бір жиіліктерге берілген рұқсаттар, олар сирек пайдаланылса да, лицензиясы жоқ пайдаланушылардың қолдануына кедергі келтіреді, тіпті олар берілген қызметке едәуір кедергі келтірмейтін жағдайда да. Әлемдік реттеуші органдар лицензиясы бар пайдаланушыларға кедергі келтірмейтін жағдайда, лицензиясы жоқ пайдаланушыларға лицензиялы жолақтарда қолдануға рұқсат беруді қарастырып жатыр. Бұл бастамалар когнитивті радио зерттеулерін динамикалық спектрге қол жеткізуге бағыттады. Алғашқы когнитивті радио сымсыз аймақтық желі стандарты IEEE 802.22 IEEE 802 LAN/MAN стандарттар комитеті (LMSC) тарапынан әзірленді және 2011 жылы жарияланды. Бұл стандарт спектрлік ақпарат алу үшін геолокацияны және спектрді сезінуді қолданады. Геолокация аймақтағы лицензияланған хабар таратушылардың деректер базасымен біріктіріліп, когнитивті радио желісі үшін қолда бар арналарды анықтайды. Спектрді сезіну спектрді бақылап, пайдаланылған арналарды анықтайды. IEEE 802.22 белгілі бір жерде пайдаланылмаған жиіліктерді немесе уақыт аралықтарын пайдалану үшін жасалған. Бұл бос кеңістік – геолокацияланған аймақтардағы пайдаланылмаған телеарналар. Дегенмен, когнитивті радио барлық уақытта бір кеңістікті пайдалана алмайды. Спектрдің қолда бар болуы өзгеретін кезде, желі лицензияланған хабар таратуға кедергі келтірмеу үшін бейімделеді.
The point in which wireless personal digital assistants (PDAs) and the related networks are sufficiently computationally intelligent about radio resources and related computer to computer communications to detect user communications needs as a function of use context, and to provide radio resources and wireless services most appropriate to those needs. Cognitive radio is considered as a goal towards which a software defined radio platform should evolve: a fully reconfigurable wireless transceiver which automatically adapts its communication parameters to network and user demands. Traditional regulatory structures have been built for an analog model and are not optimized for cognitive radio. Regulatory bodies in the world (including the Federal Communications Commission in the United States and Ofcom in the United Kingdom) as well as different independent measurement campaigns found that most radio frequency spectrum was inefficiently utilized. Cellular network bands are overloaded in most parts of the world, but other frequency bands (such as military, amateur radio and paging frequencies) are insufficiently utilized. Independent studies performed in some countries confirmed that observation, and concluded that spectrum utilization depends on time and place. Moreover, fixed spectrum allocation prevents rarely used frequencies (those assigned to specific services) from being used, even when any unlicensed users would not cause noticeable interference to the assigned service. Regulatory bodies in the world have been considering whether to allow unlicensed users in licensed bands if they would not cause any interference to licensed users. These initiatives have focused cognitive radio research on dynamic spectrum access. The first cognitive radio wireless regional area network standard, IEEE 802.22, was developed by IEEE 802 LAN/MAN Standard Committee (LMSC) and published in 2011. This standard uses geolocation and spectrum sensing for spectral awareness. Geolocation combines with a database of licensed transmitters in the area to identify available channels for use by the cognitive radio network. Spectrum sensing observes the spectrum and identifies occupied channels. IEEE 802.22 was designed to utilize the unused frequencies or fragments of time in a location. This white space is unused television channels in the geolocated areas. However, cognitive radio cannot occupy the same unused space all the time. As spectrum availability changes, the network adapts to prevent interference with licensed transmissions.
Технология
Когнитивті радио бастапқыда бағдарламалық қамтамасыз ету арқылы анықталатын радионың кеңейтілген нұсқасы (толық когнитивті радио) ретінде қарастырылғанмен, көптеген зерттеу жұмыстары спектрді сезуге қабілетті когнитивті радиоға (әсіресе телеарналар жиілігінде) бағытталған. Спектрді сезуге қабілетті когнитивті радиодағы басты мәселе – жоғары сапалы спектрді сезу құрылғыларын және түйіндер арасында спектрді сезу деректерін алмасу алгоритмдерін жасау болып табылады. Қарапайым энергия детектор сигналының болуын дәл анықтауға кепілдік бере алмайтыны көрсетілді, сондықтан күрделі спектрді сезу техникалары қажет, сондай-ақ түйіндер арасында спектрді сезу туралы ақпаратты үнемі алмасу қажет. Бірлесіп жұмыс істейтін сезіну түйіндерінің санын арттыру жалған оң анықтаманың ықтималдығын азайтады. ОФДМА қолданып, бос радио жиіліктеріндегі жолақтарды бейімделіп толтыру мүмкін болатын тәсіл. Карлсруэ университетінің профессорлары Тимо А. Вайс және Фридрих К. Йондрал спектрді біріктіру жүйесін ұсынды, онда түйіндер сезген бос жолақтар OFDMA субжолақтарымен дереу толтырылады. Спектрді сезуге қабілетті когнитивті радионың қолданылу аймақтарына төтенше жағдайлар желісі және WLAN желісінің өнімділігі мен тарату қашықтығын арттыру кіреді. Когнитивті радионың когнитивтік желілерге қарай дамуы жүріп жатыр; когнитивтік желілердің концепциясы – когнитивтік радиолар желісін интеллектуалды түрде ұйымдастыру.