Введение
Когнитивное радио (КР) – это радио, которое может быть запрограммировано и сконфигурировано динамически для использования наиболее подходящих каналов в пределах досягаемости, чтобы избежать помех и перегрузки сети. Такое радио автоматически обнаруживает доступные каналы и соответствующим образом изменяет параметры передачи или приема, позволяя увеличить количество одновременных беспроводных соединений в заданном диапазоне частот в определенной точке. Этот процесс является разновидностью динамического управления спектром.
Описание
В ответ на команды оператора когнитивный модуль способен конфигурировать параметры радиосистемы. Эти параметры включают в себя "форму сигнала, протокол, рабочую частоту и сетевое взаимодействие". Он функционирует как автономный элемент в коммуникационной среде, обмениваясь информацией об окружающей обстановке с сетями, к которым он подключается, и другими когнитивными радиостанциями (CR). CR "непрерывно отслеживает собственную производительность", а также "считывает выходные данные радио"; затем он использует эту информацию для "определения радиочастотной среды, характеристик канала, качества связи и т.п.", и корректирует "настройки радио для обеспечения требуемого уровня обслуживания с учетом оптимального сочетания потребностей пользователя, эксплуатационных ограничений и нормативных требований". Некоторые концепции "интеллектуального радио" объединяют беспроводную mesh-сеть – динамически изменяющую маршрут передачи сообщений между двумя узлами с использованием кооперативного разнообразия; когнитивное радио – динамически изменяющее частотный диапазон, используемый для передачи сообщений между двумя последовательными узлами маршрута; и программно-определяемое радио – динамически изменяющее протокол, используемый для передачи сообщений между двумя последовательными узлами.
История
Концепция когнитивного радио впервые была предложена Джозефом Митолой III на семинаре в Королевском технологическом институте KTH в Стокгольме в 1998 году и опубликована в статье Митолы и Джеральда К. Магуайра-младшего в 1999 году. Это был новый подход в беспроводной связи, который Митола позже описал как: состояние, при котором беспроводные персональные цифровые помощники (PDA) и связанные с ними сети обладают достаточной вычислительной мощностью для анализа радиоресурсов и связанных с ними компьютерных коммуникаций, чтобы определять потребности пользователей в связи в зависимости от контекста использования и предоставлять наиболее подходящие радиоресурсы и беспроводные услуги. Когнитивное радио рассматривается как цель, к которой должна развиваться платформа программно-определяемого радио: полностью реконфигурируемый беспроводной приемопередатчик, который автоматически адаптирует свои параметры связи к требованиям сети и пользователя. Традиционные регуляторные структуры были разработаны для аналоговой модели и не оптимизированы для когнитивного радио. Регулирующие органы по всему миру (включая Федеральную комиссию по связи в Соединенных Штатах и Ofcom в Соединенном Королевстве), а также различные независимые измерения показали, что большая часть радиочастотного спектра используется неэффективно. В большинстве стран мира полосы частот сотовой связи перегружены, в то время как другие полосы (такие как военные, любительские радио и частоты для пейджинга) используются недостаточно. Независимые исследования, проведенные в ряде стран, подтвердили это наблюдение и пришли к выводу, что эффективность использования спектра зависит от времени и места. Более того, фиксированное распределение спектра препятствует использованию редко используемых частот (выделенных для определенных служб), даже если нелицензированные пользователи не создадут существенных помех для выделенной службы. Регулирующие органы по всему миру рассматривают возможность разрешения нелицензированным пользователям использовать лицензированные полосы, если они не будут создавать помех лицензированным пользователям. Эти инициативы сосредоточили исследования в области когнитивного радио на динамическом доступе к спектру. Первый стандарт когнитивного радио для беспроводной региональной сети, IEEE 802.22, был разработан Комитетом по стандартам IEEE 802 LAN/MAN (LMSC) и опубликован в 2011 году. Этот стандарт использует геолокацию и зондирование спектра для определения состояния спектра. Геолокация в сочетании с базой данных лицензированных передатчиков в данном районе позволяет определить доступные каналы для использования когнитивной радиосетью. Зондирование спектра анализирует спектр и определяет занятые каналы. IEEE 802.22 был разработан для использования неиспользуемых частот или временных интервалов в определенной локации. Это «белое пространство» – неиспользуемые телевизионные каналы в географически определенных районах. Однако когнитивное радио не может постоянно использовать одно и то же неиспользуемое пространство. По мере изменения доступности спектра сеть адаптируется, чтобы предотвратить помехи лицензированным передачам.
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
Хотя когнитивное радио изначально рассматривалось как расширение программно-определяемого радио (полное когнитивное радио), большинство исследований сосредоточено на когнитивном радио с обнаружением спектра (особенно в телевизионных диапазонах). Основная проблема в когнитивном радио с обнаружением спектра заключается в разработке высококачественных устройств и алгоритмов обнаружения спектра, а также в обмене данными об обнаружении спектра между узлами. Показано, что простой детектора энергии не может гарантировать точное обнаружение сигнала, что требует более сложных методов обнаружения спектра и регулярного обмена информацией об обнаружении спектра между узлами. Увеличение числа совместно работающих узлов обнаружения спектра снижает вероятность ложного срабатывания. Адаптивное заполнение свободных радиочастотных диапазонов с использованием OFDMA является одним из возможных подходов. Тимо А. Вайс и Фридрих К. Йондраль из Университета Карлсруэ предложили систему объединения спектра, в которой свободные диапазоны (обнаруженные узлами) немедленно заполнялись поддиапазонами OFDMA. Области применения когнитивного радио с обнаружением спектра включают сети экстренной связи, а также увеличение пропускной способности и дальности передачи для WLAN. Эволюция когнитивного радио в сторону когнитивных сетей продолжается; концепция когнитивных сетей заключается в интеллектуальной организации сети когнитивных радиостанций.