Система когнитивного радио (Cognitive Radio System, CRS)

Привет, Вы узнаете о том , что такое система когнитивного радио, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое система когнитивного радио, cognitive radio system, crs, когнитивное радио , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов.

система когнитивного радио (Cognitive Radio System, CRS) — радиосистема, способная получать сведения об особенностях собственной эксплуатации и на основе этих данных корректировать свои параметры работы.

когнитивное радио ( CR ) представляет собой радиоприемник , который может быть запрограммирован и настроен динамически , чтобы использовать лучшие беспроводные каналы в его окрестностях , чтобы избежать вмешательства пользователя и заторы. Такая радиостанция автоматически обнаруживает доступные каналы в беспроводном спектре , а затем соответственно изменяет свои параметры передачи или приема, чтобы обеспечить одновременную беспроводную связь в заданном диапазоне спектра в одном месте. Этот процесс представляет собой форму динамического управления использованием спектра .

Когнитивное Когнитивное радио - передовая передовая технология технология на пути к более рациональному рациональному использованию использованию радиочастотного радиочастотного спектра спектра

Механизм динамического управления спектра применяется в интеллектуальных радиосистемах. Для их описания предложен термин - когнитивное когнитивное радио (CR). особенность особенность систем:

• способность извлекать и анализировать информацию из окружающего радио пространства,
• предсказывать изменения канала связи
• оптимальным образом подстраивать свои внутренние параметры, адаптируясь к изменениям радио среды.

Отчет МСЭ-R 2117

“Когнитивное Когнитивное радио - это радиосистема радиосистема, которая которая использует использует технологии технологии радиосвязи радиосвязи с программируемыми программируемыми параметрами параметрами и другие технологии технологии для автоматического автоматического настраивания настраивания режима работы для достижения достижения желаемых желаемых целей. Такая радиосистема радиосистема способна способна накапливать накапливать знания об условиях условиях эксплуатации эксплуатации, а также динамической динамической и самостоятельной самостоятельной адаптации адаптации своих эксплутационных эксплутационных параметров параметров к соответствующей соответствующей среде и может запоминать запоминать результаты результаты своих действий действий и используемые используемые модели для той или иной окружающей окружающей среды

Когнитивное радио не является отдельной службой радиосвязи, и может использоваться как технология в рамках любой из существующих радиослужб. Для использования систем когнитивного радио какой-либо службой радиосвязи в некоторой полосе частот, эта служба должна иметь распределение в соответствующей полосе частот с правом работы на первичной или вторичной основе.

Технологии когнитивной радиосвязи могут использоваться при реконфигурации соединений между терминалами и несколькими радиосистемами, операторами систем радиосвязи для более эффективного управления ресурсами используемого ими радиочастотного спектра, в качестве инструмента коллективного доступа к радиочастотному спектру, в качестве инструмента организации более гибкого доступа к радиочастотному спектру.

Классификация когнитивных устройств

Принята следующая классификация когнитивных устройств с учетом используемого ими способа доступа к радиочастотному спектру, обеспечивающего исключение радиопомех действующим средствам радиосвязи:

• системы с когнитивным пилот сигналом;
• системы на основе индивидуального или коллективного контроля занятости каналов;
• системы с геолокационной базой данных защищаемых средств радиосвязи.

При этом возможна комбинация указанных способов.

Когнитивная система с контрольным каналом

Процесс работы терминала с контрольным контрольным каналом каналом (СРС)

Основные функции контрольного контрольного канала:

• помогает подвижному терминалу выбрать нужную сеть в зависимости от специальных условий;
• обеспечивает эффективное использование радиоресурса путем передачи указаний о необходимых действиях от сети к терминалам;
• обеспечивает способность к изменению конфигурации, позволяя терминалу определять наиболее подходящую технологию радиодоступа;
• Предоставляет данные о состоянии окружающей среды, помогая терминалу определить точные частоты, операторов и способы доступа в конкретном районе без необходимости проводить длительный по времени процесс сканирования спектра;
• помогает провайдеру сети упростить процедуру внесения динамических изменений в развертывании сетей, информируя терминалы о доступности новых технологий радиодоступа/частот;
• раскрывает преимущества вторичной продажи и гибкого использования спектра как с технической точки зрения, так и с экономической, делая терминалы независимыми от частот, используемых для специальных служб в любой данный момент времени.

Принцип работы систем радиосвязи с программируемыми параметрами

Технологии радиодоступа радиодоступа (RAT)

Системы когнитивного радио могут охватывать ряд Технологий радиодоступа, а самоконфигурирующиеся сети разных сетевых топологий, смогут обеспечить использование их спектра на основе доступного на местном уровне. В связи с этим необходимо определение расположения и характеристик других технологий радиодоступа в пределах охваченной полосы частот, которая достижима с подвижного терминала, а также сканирование всего диапазона настройки, для того чтобы определить локальное использование спектра.

В рамках Евросоюза было определено, что устройства должны:

• поддерживать несколько технологий радиодоступа
• обладать способностью динамического определения доступных технологий и свободного радиочастотного ресурса.

Помехи

Проведенные к настоящему времени исследования показали, что для гарантированного исключения помех действующим радиосредствам от систем когнитивного радио необходимо использование геолокационной базы данных, содержащей сведения о местоположении и работе защищаемых средств радиосвязи . База данных обеспечивает выбор рабочих частот для систем когнитивной радиосвязи таким образом, чтобы обеспечить как саму возможность их работы, так и отсутствие помех другим системам и средствам радиосвязи. При этом другие радиоэлектронные средства (действующие в рамках обычного порядка назначения частот) имеют приоритет в использовании радиочастотных каналов перед системами когнитивного радио.

На практике это означает, что если некоторая полоса частот или радиоканал начинают использоваться другими радиосредствами, использующая эту полосу или канал система когнитивного радио должна перестроиться на другую частоту/канал. Таким образом, технология когнитивного радио в принципе не может использоваться как единственная технология для оказания, например, платных услуг, так как постоянное наличие доступного для работы когнитивного радио радиочастотного спектра не гарантировано.

Терминология

В зависимости от параметров передачи и приема различают два основных типа когнитивного радио:

• Полное когнитивное радио (Mitola radio), в котором рассматриваются все возможные параметры, наблюдаемые беспроводным узлом (или сетью).
• Когнитивное радио с обнаружением спектра, в котором рассматривается только радиочастотный спектр.

Другие типы зависят от частей спектра, доступных для когнитивного радио:

• Licensed-Band Cognitive Radio , способная использовать диапазоны, назначенные лицензированным пользователям (за исключением нелицензированных диапазонов, таких как диапазон U-NII или диапазон ISM ). 802.22 IEEE рабочая группа разрабатывает стандарт для беспроводной региональной сети (WRAN), которая будет работать на неиспользуемых телевизионных каналов, также известный как ТВ - белых пространств . Об этом говорит сайт https://intellect.icu .
• Когнитивное радио без лицензии, которое может использовать только нелицензированные части радиочастотного (РЧ) спектра. Одна такая система описана в спецификациях IEEE 802.15 Task Group 2, которые сосредоточены на сосуществовании IEEE 802.11 и Bluetooth .
• Мобильность спектра : процесс, с помощью которого пользователь когнитивного радио меняет свою частоту работы. Сети когнитивной радиосвязи стремятся использовать спектр динамически, позволяя радиотерминалам работать в наилучшей доступной полосе частот, обеспечивая бесперебойную связь во время переходов на лучший спектр.
• Совместное использование спектра : сети когнитивного радио с совместным использованием спектра позволяют пользователям когнитивного радио совместно использовать полосы спектра пользователей лицензированных диапазонов. Однако пользователи когнитивного радио должны ограничить свою мощность передачи, чтобы помехи, создаваемые пользователям лицензированного диапазона, не превышали определенного порогового значения.
• Совместное использование спектра на основе зондирования : ^[10] В сетях когнитивного радио с совместным использованием спектра на основе зондирования пользователи когнитивного радио сначала слушают спектр, выделенный лицензированным пользователям, чтобы определить состояние лицензированных пользователей. На основании результатов обнаружения пользователи когнитивного радио определяют свои стратегии передачи. Если лицензированные пользователи не используют эти диапазоны, пользователи когнитивного радио будут передавать в этих диапазонах. Если лицензированные пользователи используют диапазоны, пользователи когнитивного радио совместно используют диапазоны спектра с лицензированными пользователями, ограничивая их мощность передачи.
• Совместное использование спектра на основе базы данных , ^{[11] [12]} ,: ^[13] В этой модальности совместного использования спектра пользователям когнитивного радио требуется доступ к базе данных белого пространства, прежде чем им будет разрешен или запрещен доступ к совместно используемому спектру. База данных пробелов содержит алгоритмы, математические модели и местные правила для прогнозирования использования спектра в географической зоне и для вывода о риске помех, создаваемых действующим службам со стороны пользователя когнитивной радиосвязи, имеющего доступ к совместно используемому спектру. Если база данных белого пространства определяет, что деструктивные помехи для действующих операторов будут происходить, пользователю когнитивного радио будет отказано в доступе к общему спектру.

Технология

Хотя когнитивное радио изначально задумывалось как расширение программно-определяемого радио (полное когнитивное радио), большая часть исследовательской работы сосредоточена на когнитивном радио с распознаванием спектра (особенно в телевизионных диапазонах). Основная проблема когнитивного радио с определением спектра - это разработка высококачественных устройств с определением спектра и алгоритмов для обмена данными с определением спектра между узлами. Было показано, что простой детектор энергии не может гарантировать точное обнаружение наличия сигнала, ^[14] требуя более сложных методов измерения спектра и требуя регулярного обмена информацией о спектральном измерении между узлами. Увеличение количества взаимодействующих узлов зондирования снижает вероятность ложного обнаружения. ^[15]

Возможным подходом является адаптивное заполнение свободных радиочастотных диапазонов с использованием OFDMA . Тимо А. Вайс и Фридрих К. Йондрал из Университета Карлсруэ предложили систему объединения спектра , в которой свободные полосы (считываемые узлами) немедленно заполнялись подполосами OFDMA . Применения когнитивного радио с определением спектра включают в себя более высокую пропускную способность аварийных сетей и WLAN и увеличение дальности передачи . Идет эволюция когнитивного радио в сторону когнитивных сетей ; концепция когнитивных сетей заключается в разумной организации сети когнитивных радио.

Функции

Основные функции когнитивного радио:

• Управление мощностью : Управление мощностью ^[18] обычно используется для систем CR с совместным использованием спектра, чтобы максимизировать пропускную способность вторичных пользователей с ограничениями мощности помех для защиты основных пользователей.
• Зондирование спектра : обнаружение неиспользуемого спектра и его совместное использование без вредных помех другим пользователям; Важным требованием сети когнитивного радио является восприятие пустого спектра. Обнаружение основных пользователей - наиболее эффективный способ обнаружения пустого спектра. Методы спектрального зондирования можно разделить на три категории:
  • Обнаружение передатчика : когнитивные радиостанции должны иметь возможность определять, присутствует ли сигнал от основного передатчика локально в определенном спектре. Предлагается несколько подходов к обнаружению передатчика:
    • Обнаружение согласованного фильтра
    • Обнаружение энергии: Обнаружение энергии - это метод измерения спектра, который определяет наличие / отсутствие сигнала просто путем измерения мощности принятого сигнала. ^[19] Такой подход к обнаружению сигналов довольно прост и удобен для практической реализации. Однако для реализации детектора энергии требуется информация о дисперсии шума. Было показано, что несовершенное знание мощности шума (неопределенность шума) может привести к явлению стены SNR , которая представляет собой уровень SNR, ниже которого детектор энергии не может надежно обнаружить какой-либо переданный сигнал, даже увеличивая время наблюдения. ^[20] Это ^[21]Также было показано, что граница отношения сигнал / шум вызвана не наличием самой неопределенности шума, а недостаточным уточнением оценки мощности шума при увеличении времени наблюдения.
    • Циклостационарное обнаружение признаков. Этот тип алгоритмов измерения спектра мотивирован тем, что большинство искусственных сигналов связи, таких как BPSK , QPSK , AM , OFDM и т. Д., Демонстрируют циклостационарное поведение. ^[22] Однако шумовые сигналы (обычно белый шум ) не демонстрируют циклостационарного поведения. Эти детекторы устойчивы к неопределенности дисперсии шума. Цель таких детекторов - использовать циклостационарную природу искусственных сигналов связи, скрытых за шумом. Их главный параметр решения - это сравнение ненулевых значений, полученных с помощью CSD первичного сигнала. ^[23] Циклостационарные детекторы могут быть одноцикловыми или многоцикловыми.
• Широкополосное зондирование спектра : относится к зондированию спектра в большой спектральной полосе, обычно в сотни МГц или даже несколько ГГц. Поскольку современная технология АЦП не может позволить себе высокую частоту дискретизации с высоким разрешением, она требует революционных методов, например, компрессионного измерения и дискретизации суб-Найквиста. ^[24]
  • Совместное обнаружение : относится к методам измерения спектра, при которых информация от нескольких пользователей когнитивного радио включается для обнаружения основным пользователем ^[25]
  • Обнаружение на основе помех
• CR на основе нулевого пространства : с помощью нескольких антенн CR обнаруживает нулевое пространство основного пользователя и затем передает в нулевом пространстве, так что его последующая передача вызывает меньше помех для основного пользователя.
• Управление спектром : захват наилучшего доступного спектра для удовлетворения требований пользователя к связи, не создавая при этом чрезмерных помех другим (основным) пользователям. Когнитивные радиостанции должны выбрать лучшую полосу спектра (из всех доступных полос) для удовлетворения требований к качеству обслуживания ; поэтому для когнитивных радиоприемников требуются функции управления использованием спектра. Функции управления спектром подразделяются на:
  • Спектральный анализ
  • Решение о спектре ^{[26] [27]}

Практическая реализация функций управления использованием спектра - это сложный и многогранный вопрос, поскольку он должен соответствовать множеству технических и юридических требований. Примером первого является выбор подходящего порога чувствительности для обнаружения других пользователей, а вторым примером является необходимость соблюдения правил и положений, установленных для доступа к радиочастотному спектру в международном (правила радиосвязи МСЭ) и национальном (закон о телекоммуникациях) законодательства .

Интеллектуальная антенна (IA)

Интеллектуальные антенны (или смарт - антенна) представляет собой антенну технологии , которая использует пространственную луч-образование и пространственное кодирование для подавления помех; тем не менее, появляются приложения для расширения интеллектуальных множественных или совместных антенных решеток для применения в сложных коммуникационных средах. Когнитивное радио, для сравнения, позволяет пользовательским терминалам определять, используется ли часть спектра для совместного использования спектра с соседними пользователями. В следующей таблице сравниваются два:

Обратите внимание, что оба метода можно комбинировать, как показано во многих современных сценариях передачи. ^[28]

Кооперативный MIMO (CO-MIMO) сочетает в себе оба метода.

Применение когнитивного радио

Cognitive Radio (CR) может распознавать окружающую среду и без вмешательства пользователя может адаптироваться к коммуникационным потребностям пользователя, при этом соблюдая правила FCC в США. Теоретически количество спектра бесконечно; практически, для распространения и по другим причинам он конечен из-за желательности определенных участков спектра. Присвоенный спектр используется далеко не полностью, и его эффективное использование вызывает растущую озабоченность; CR предлагает решение этой проблемы. CR может интеллектуально определять, используется ли какая-либо часть спектра, и может временно использовать ее, не мешая передачам других пользователей. ^[29] По словам Брюса Фетта, «некоторые из других когнитивных способностей радиостанции включают определение своего местоположения, определение использования спектра соседними устройствами, изменение частоты, регулировку выходной мощности или даже изменение параметров и характеристик передачи. Все эти возможности, а также другие возможности еще предстоит реализовать. , предоставит пользователям беспроводного спектра возможность адаптироваться к условиям спектра в реальном времени, предлагая регулирующим органам, лицензии и широкую общественность гибкое, эффективное и всестороннее использование спектра ».

Примеры приложений включают:

• Применение сетей CR для связи в чрезвычайных ситуациях и общественной безопасности с использованием белого пространства ^{[30] [31]}
• Возможности сетей CR для выполнения динамического доступа к спектру (DSA) ^{[32] [33]}
• Применение сетей CR в военных действиях, таких как обнаружение и расследование химических, биологических, радиологических и ядерных атак, командное управление, получение информации об оценке боевых повреждений, наблюдение за полем боя, помощь в разведке и наведение на цель. ^[34]
• Также доказано, что они полезны при создании медицинских сетей тела ^[35], которые можно использовать для вездесущего мониторинга пациентов, что помогает немедленно уведомлять врачей о важной информации о пациентах, такой как уровень сахара, артериальное давление, кислород в крови и электрокардиограмма (ЭКГ). ) и т. д. Это дает дополнительное преимущество в виде снижения риска инфекций, а также увеличивает подвижность пациента.
• Когнитивное радио применимо также к беспроводным сенсорным сетям, где ретрансляция пакетов может происходить с использованием первичных и вторичных очередей для пересылки пакетов без задержек и с минимальным энергопотреблением. ^[36]

Моделирование сетей CR

В настоящее время моделирование и симуляция - единственная парадигма, которая позволяет моделировать сложное поведение в когнитивных радиосетях данной среды. Сетевые симуляторы, такие как OPNET , NetSim , MATLAB и ns2, могут использоваться для моделирования когнитивной радиосети. CogNS ^[37] - это платформа моделирования на основе NS2 с открытым исходным кодом для сетей когнитивного радио. Области исследований с использованием сетевых симуляторов включают:

1. Зондирование спектра и обнаружение действующего
2. Распределение спектра
3. Измерение и / или моделирование использования спектра ^{[38] [39]}
4. Эффективность использования спектра ^{[38] [39]}

Network Simulator 3 (ns-3) также является жизнеспособным вариантом для моделирования CR. ^[40] ns-3 можно также использовать для имитации и экспериментов в сетях CR с помощью стандартного оборудования, такого как устройства Atheros WiFi. ^[40]

Планы на будущее

Успех нелицензируемого диапазона для размещения ряда беспроводных устройств и услуг побудил FCC рассмотреть возможность открытия дополнительных диапазонов для нелицензионного использования. Напротив, лицензированные диапазоны используются недостаточно из-за статического распределения частот. Понимая, что технология CR может использовать неэффективно используемые лицензированные диапазоны, не создавая помех для существующих пользователей, FCC выпустила Уведомление о предлагаемых правилах, которые позволят нелицензированным радиостанциям работать в диапазонах телевещания. IEEE 802.22 рабочая группа, образованная в ноябре 2004 года, поставлена задача определения стандарта воздушного интерфейса для беспроводных региональных сетей (на основе CR зондирования) для работы в нелицензируемых устройств спектра , распределенного телевизионного сервиса.^[41]Чтобы соответствовать более поздним правилам FCC о нелицензионном использовании ТВ-спектра, IEEE 802.22 определил интерфейсы к обязательной базе данных ТВ-пустого пространства , чтобы избежать помех для действующих служб.

Дальнейшая работа по разработке когнитивного радио:

Разработка положений для сертификации и соответствия оборудования;

• Положения для перемещения оборудования;
• Рассмотрение различных подходов, которые могут использоваться разными администрациями при внедрении когнитивного радио;
• Рассмотрение необходимости разработки регуляторных мер, касающихся возможного использования технологий когнитивных радиосистем;
• Рассмотрение потенциальной необходимости для гармонизации на всемирной основе контрольного канала (ширина полосы менее 50 кГц);
• Рассмотрение кандидатных полос и потребностей в спектре;
• Решить, необходимы ли регуляторные средства для моделей без контрольного канала (модель базы данных, белые пятна).

Консорциум Консорциум E2R совместно совместно с Европейским Европейским институтом институтом стандартизации стандартизации электросвязи электросвязи (ETSI) проводят проводят изучение изучение вопросов вопросов:

• преодоления трудностей при разработке конструкции, вопросов потребления мощности, измерения и разработки стандартов когнитивного радио;
• того, что имеющиеся технологии не обеспечивают все необходимые требования для универсального применения когнитивного радио Предполагается, что система радиосвязи с программируемыми параметрами (SDR) будет:
• работать на всех частотах от 9 кГц до 300 ГГц c использованием по возможности гармонизированного контрольного канала с шириной полосы менее 50 кГц;
• принимать/передавать и модулировать/демодулировать сигнал во всех полосах частот и всех режимах модуляции
• обладать основными радиопараметрами, которые могут меняться изменяемым программным обеспечением

32 Организации Организации 14 стран Бюджет 19.0 миллионов миллионов Евро

Консорциум E2R, включающий крупнейших операторов связи

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• Схемы распределения каналов
• Планирование в зависимости от канала
• Когнитивная сеть
• LTE Advanced
• Сетевой симулятор
• OFDMA
• Управление радиоресурсами (RRM)
• Белые пространства (радио)
• Пробелы ( база данных )
• Программно-определяемое радио
• SDR программно определяемая радиосистема , sdr ,

Исследование, описанное в статье про система когнитивного радио, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое система когнитивного радио, cognitive radio system, crs, когнитивное радио и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов