В настоящее время число беспроводных устройств значительно выросло, вместе с улучшением беспроводных технологий. Но лучшие технологии требуют большей ширины спектра, в результате появляется нехватка радиочастотного ресурса (РЧР). Когнитивное радио — проект, предназначенный для предотвращения наступающего коллапса РЧР.
Когнитивное радио — радиосистема, использующая технологии радиосвязи с программируемыми параметрами, способная к автоматической настройке режима работы. Такая радиосистема способна накапливать данные об условиях эксплуатации, может запоминать результаты своих действий и используемые модели для той или иной окружающей среды. На основе этих данных система вносит коррективы в свою работу в зависимости от требуемой цели [1].
Поскольку в настоящее время лицензированный РЧР используется во многом нерационально — некоторые диапазоны частот перегружены, в то время как другие изобилуют свободными частотами, — необходимо перераспределение спектра. Но оформление данного процесса на государственном уровне займёт несколько лет, а к тому времени как будет готов государственный проект, он уже потеряет свою актуальность, так как уровни загруженности разных диапазонов могут измениться.
Поэтому в данный момент наилучшим выходом является адаптивный анализ загруженности спектра радиочастот и перераспределение этой загрузки с согласия владельцев лицензий на необходимые диапазоны. По такому принципу и работает когнитивное радио.
Основной смысл системы когнитивного радио (СКР) заключается в том, что она может проанализировать радиочастотный спектр и найти в нём свободное пространство. Далее отправляется запрос к владельцу спектра на использование недоиспользованного диапазона, и с его разрешения часть пользователей переводится в этот диапазон. Помимо разгрузки спектра, такой механизм позволяет пользователям, не имеющим лицензии на РЧР, передавать в лицензированном диапазоне, не мешая пользователям с лицензией. Причём в случае, если этот диапазон в процессе работы СКР будет занят, система должна будет найти другой свободный диапазон и перенастроить свою работу уже на него.
Существуют разные способы организации системы когнитивного радио [4]. Первый — сканирование спектра: СКР тщательно сканирует все спектральные полосы, расположенные поблизости с целью определения их владельцев и поиска спектральных дыр. Этот способ является наилучшим, но требует много времени и большой вычислительной мощности системы, поскольку задействуются сложные алгоритмы анализа. Сканирование спектра может быть некооперативным и кооперативным.
В случае некооперативного сканирования спектра (с контрольным каналом), каждое устройство когнитивного радио действует само по себе и принимает решения на основе детектирования сигналов и предварительно загруженной информации.
При кооперативном сканировании спектра устройства когнитивного радио делятся между собой данными сканирования спектра, решения принимает управляющий модуль сети. В этом случае чрезвычайно важно правильно принять решение о наличии спектральных дыр, поскольку ошибки могут отразиться на производительности первичных пользователей. Разработка такого «идеального алгоритма» является очень сложной задачей.
Вторым способом является спектральная база данных. Федеральная комиссия по связи (США) предложила организовать такую базу данных, чтобы убрать необходимость сложного сканирования спектра и занять «белые пятна» ТВ вещания. Для этого все ТВ станции должны раз в неделю сообщать о занимаемых частотах, в результате СКР могут получать информацию о свободном спектре из базы данных. Однако значительная доля спектральных дыр динамически меняется за короткий период времени, и все эти изменения в такой базе данных отследить в реальном времени невозможно. В итоге наблюдается значительная потеря возможностей для устройств когнитивного радио (особенно в Интернете Вещей, когда нескольким устройствам необходимо передавать маленькие объёмы данных, что можно эффективно делать на динамически появляющихся спектральных дырах).
Учитывая все преимущества и недостатки, наилучшим решением для СКР будет объединение этих двух способов. Для этого создаётся местная база данных, включающая в себя информацию о занимаемом спектре первичного пользователя в реальном времени (частота, время, пространство, характеристики передачи) и историю использования РЧР первичного пользователя в этом регионе. В таком случае любое устройство когнитивного радио может начать поиск спектральных дыр, указанных в базе данных, или на основе истории использования спектра сделать вывод о том, какая полоса может быть свободна, и начать поиск в ней. Поскольку система знает характеристики сигнала первичного пользователя из базы данных, сканирование спектра может быть менее сложным и долгим. Помимо этого, происходит оптимизация поиска и снижение потребляемой мощности СКР, так как на основе информации из базы данных нет необходимости сканировать спектр целиком.
Литература
- Михалевский Л.В. Когнитивное радио — передовая технология на пути к более рациональному использованию радиочастотного спектра. Презентация, семинар МСЭ, Армения, 2008 г.
- Мирошникова Н.Е. Обзор систем когнитивного радио.
- Панов И.В., Сутько Т.А., Шувалов Р.И. Возможности когнитивного радио и когнитивных сетей по оптимизации использования радиочастотного спектра.
- Niladri Shekhar Paria. Cognitive radio.