Softwarové a kognitivní rádio Doc. Ing. Václav Žalud, CSc ČVUT FEL, Praha Úvod – motivace vzniku softwarového a kognitivního rádia Jedním z nejvýznamnějších mezníků v rozvoji technologie rádiové komunikace v posledních letech je nástup softwarového rádia. Pod tímto pojmem se v obecném smyslu rozumí rádiový vysílač a přijímač, jejichž hlavní funkce jsou realizovány technickými prostředky (hardwarem), avšak jsou pružně řízeny přesunovaným („stahovaným“) programovým vybavením (softwarem). Softwarové rádio může díky tomu využívat libovolná frekvenční pásma a aplikovat různé komunikační protokoly, přičemž přesunovaný software umožňuje prakticky okamžitou rekonfiguraci systému. V úvodu tohoto příspěvku jsou uvedeny některé základní poznatky o uvažovaném novém prostředku techniky rádiové komunikace. Softwarové rádio se rozvíjí od počátku devadesátých let min. st., takže v současné době (rok 2007) je již v pokročilém vývojovém stádiu. V praxi nachází uplatnění například ve vícemódových a vícerozsahových mobilních stanicích buňkových systémů pozemní mobilní komunikace GSM/EDGE/UMTS ap. Po roce 2000 se objevuje další nový fenomén ve vývoji technologie rádiových systémů, označovaný jako kognitivní rádio, jímž se zabývá druhá část tohoto příspěvku. To využívá koncepce softwarového rádia, kterou však doplňuje inteligentním signálovým procesingem. Ten mu poskytuje cennou možnost automatické adaptibility k aktuálním parametrům okolního rádiového prostředí i k požadavkům jeho uživatelů. Vznik kognitivního rádia byl primárně podnícen neustále rostoucími požadavky na provozní kapacitu současných radiokomunikačních systémů a vznikem systémů zcela nových, což v souhrnu vede k prohlubujícímu se nedostatku volných frekvenčních pásem. Podrobnější analýza potom ukazuje, že příčinou daného stavu většinou není intenzívní využívání rádiového spektra, nýbrž velmi nízká efektivita dosavadního statického frekvenčního plánování, prováděného obvykle národními regulačními orgány. Ty striktně přidělí většinu segmentů spektra tzv. primárním, licencovaným uživatelům PU (primary, licensed, incumbent users), jejichž povinností by potom mělo být jeho aktivní využívání. K typickým primárním uživatelům náleží rozhlas, televize, radar, systémy pozemní mobilní komunikace ap. Podle důkladných studií regulačních orgánů (ITU, ETSI, FCC aj.) je však v současné době přidělené spektrum využíváno v aktivním provozu v úseku 0 až 6 MHz 1
v průměru nejvýše asi z desíti procent, přičemž v úseku 0 až 3 GHz je využití pod 30 % a v úseku 3 až 6 GHz je využitelnost dokonce pod 0,5 %. Typický snímek spektra v určité lokalitě je na obrázku 1. Využití spektra je však velice výrazně závislé také na čase, zejména na denní době. Tak například u buňkových telefonů GSM je během odpoledních hodin (od cca 12:00 do 17:00 hod) provozní zatížení a tedy i vytížení jim přiděleného spektra maximální, kdežto v nočním období (mezi cca 0:00 až 5:00 hod) je naopak provoz velmi slabý a tedy spektrum je téměř volné. Exploatace spektra závisí i na sledované lokalitě, v hustě obydlených oblastech je zřejmě nejvyšší a naopak. Vzhledem ke všem uvedeným okolnostem je tedy zcela přirozené, že se hledají různé cesty jak tuto nepříznivou situaci změnit.
Obr. 1 Typický snímek frekvenčního spektra v určité průmyslové oblasti USA; využití spektra velmi rychle klesá s rostoucí pracovní frekvencí Jedním z úspěšných pokusů dosáhnout alespoň částečné nápravy uvedeného stavu bylo již před několika desítkami let zavedení bezlicenčních pásem (unlicensed bands), do nichž má přístup prakticky kdokoliv, pokud dodrží určité limity vysílacích výkonů a některých dalších parametrů. Do této kategorie náležejí například pásma pro průmyslové, vědecké a lékařské účely ISM (industrial, scientific and medical) - zejména v okolí 2,4 GHz, dále pásma UNII (unlicensed national information infrastructure) mezi 5 až 6 GHz a další; v těchto pásmech však nejsou jejich uživatelům 1 zaručeny 1 Uživatelem kmitočtového spektra se v dalším textu rozumí ten, kdo toto spektrum používá pro jakoukoliv komunikační činnost nezávisle na svém zařazení jako účastník, uživatel, spotřebitel nebo operátor ve
2
žádné ochranné interferenční odstupy. Další zlepšení situace přináší obchodování s frekvenčním spektrem, realizované poprvé ve Velké Británii před několika málo lety 2. K intenzivnějšímu využívání spektra výrazně přispívají také nepřetržitě se rozvíjející progresivní metody a techniky zpracování rádiových signálů. Tak například radiokomunikační systémy s prostorově časovou diverzitou MIMO (multiple input multiple output) mohou zvýšit spektrální účinnost - a tím redukovat potřebnou šířku drahocenných rádiových pásem - běžně o několik stovek procent. Jedny z nejúčinnějších metod dokonalejšího hospodaření se spektrem se snaží umožnit přístup do licencovaných a případně i bezlicenčních pásem primárních uživatelů také sekundárním, nelicencovaným uživatelům SU (secondary, unlicensed users). Tyto metody se dělí do dvou základních tříd. Do první z nich (underlay approach) náleží ultraširokopásmové systémy UWB (ultra wide band), které sice zabírají velmi široké pásmo překrývající řadu licencovaných pásem (např. 3,1 až 10,6 GHz), avšak díky velmi nízké výkonové spektrální hustotě vysílaných signálů, ležící pod úrovní šumů, nejsou jimi primární uživatelé prakticky téměř vůbec rušeni. Druhou možností je kognitivní rádio CR (cognitive radio), které umožňuje sekundárním uživatelům (SU) realizovat svou komunikaci v momentálně volných segmentech licencovaných - a případně i bezlicenčních pásem, avšak jen s takovými vysílacími výkony, aby nerušili primární uživatele (PU). V této hierarchické koncepci (overlay approach) jsou v ideálním případě systémy obou uživatelů ortogonální, tj. vzájemně se neovlivňují.
1. Hardwarové a adaptivní rádio Vývoj rádiokomunikačních systémů probíhal v několika hlavních etapách. Od samého počátku rádiové komunikace okolo roku 1900 se po následující desítky let uplatňovaly pouze systémy analogové, používající analogové modulace (nejprve AM, později také FM a PM). Zhruba po roce 1970 se dostávají do praxe systémy digitální, aplikující digitální modulace (ASK, FSK, PSK a QAM). U obou těchto kategorií jsou výrobcem nebo provozovatelem fixně definovány jejich technické parametry, jako jsou frekvenční rozsahy, šířky pásma, typy modulace, vysílací výkony ap. Ty je možné měnit při výrobě a poté i v provozu pouze hardwarově (pomocí smyslu §2, písmeno b) zákona č.127/2005 Sb., o elektronických komunikacích a o změně některých souvisejících zákonů. 2 Velká Británie má rozsáhlé a dlouhodobé zkušenosti s problematikou efektivního využívání spektra. Regulátor OFCOM se pro obchodování se spektrem rozhodl již v roce 2004 a jeho zavádění rozplánoval detailně do následujících 5 let postupně pro stanovené okruhy aplikací. Určitý systém obchodování se spektrem fungoval v roce 2004 též na Novém Zélandu.
3
mechanicky přelaďovaných filtrů ap.), a proto se uvedené systémy obecně označují jako hardwarové rádio (hardware radio). To je však v současnosti, po stránce technologické i funkční již překonané. K jeho slabinám například náleží nízká interoperabilita s jinými rádiovými systémy, nemožnost adaptace (upgrading) na nové standardy ap. Další vývojový stupeň představuje adaptivní rádio (adaptive radio), označované také jako rekonfigurovatelné rádio (reconfigurable radio). To monitoruje svou vlastní činnost - zejména kvalitu spojení - a na základě toho dále mění automaticky, obvykle s využitím principů uzavřené smyčky, některé výše zmíněné parametry a operační charakteristiky tak, aby bylo dosaženo optimální činnosti. Uvedené změny se však uskutečňují stále ještě v hardwarové oblasti. Prvky adaptivního rádia se již uplatňují například u buňkových standardů GSM/EDGE, kde si totiž fixní složky celulární sítě v kooperaci s mobilními terminály, na základě nepřetržitého měření jakosti rádiového spojení (poměru signál-interference SIR), automaticky volí jeden ze dvou možných typů modulace (GMSK nebo 8PSK) a jednu z devíti možných rychlostí kanálového kódu Rc (v rozmezí hodnot Rc = 0,37...1,00); tím se vždy dosahuje maxima přenosových rychlostí, při zadané konstantní chybovosti přenosu BER.
2. Softwarové rádio Po roce 1995 se začínají formulovat principy softwarového rádia SR (software radio), u něhož se uvažované základní přenosové parametry (frekvence, typ modulace ap.) mění pomocí programovatelného hardwaru, který je však řízen instalovaným (stahovaným) softwarem případně daty pro tento software [1], [2]. Potřebný software může být například v případě uživatelských terminálů systémů mobilní komunikace stahován z fixních složek sítě na dedikovaném logickém kanálu, lze ho také uložit v kartě SIM, spojené s terminálem ap. Možnost softwarové rekonfigurace je jedním ze základních rysů softwarového radia. U ideálního softwarového rádia SR, znázorněného na obr. 2a, je jediným analogovým elementem anténa, před níž ihned následuje ve vysílacím traktu převodník DAC a v přijímacím traktu převodník ADC. To potom umožňuje realizovat veškeré zpracování signálu kompletně v softwarové oblasti. Tato ideální koncepce SR, popsaná poprvé jeho protagonistou J. Mitolou III, však není zatím technicky dosažitelná. V praxi je realizovatelná verze, označovaná jako softwarově definované radio SDR (software defined radio), která je znázorněna na obr. 2b. Ta používá na vstupu přijímacího traktu selektivní filtry, nízkošumový zesilovač a směšovač, který transponuje přijímané frekvenční pásmo do 4
oblasti nižších frekvencí, kde lze již snadno realizovat konverzi ADC. Analogická koncepce s frekvenční konverzí nahoru se potom aplikuje i ve vysílacím traktu. Softwarově definované rádio se vyznačuje výbornou flexibilitou, která je však stále ještě závislá na manuální nebo jednoduché strojové rekonfiguraci („man-in-the loop-intervention“).
ideální (Mitolovo) softwarové rádio SR vysílač
přijímač
data vstup digitální zpracování signálu DSP
digitální data výstup zpracování signálu DSP
A
A
D
D
digitální zpracování signálu DSP: digitální konverze up a konverze down, frekvenční filtrace, prokládání, ekvalizace, modulace a demodulace, kódování, předzkreslení a všechny další potřebné operace
reálné softwarově definované rádio SDR výstupní analogový díl vysílače data vstup
vstupní analogový díl přijímače směšovač
směšovač DSP
D
(konv. down)
(konv. up)
A
RF
A PA
RF
RF
LO
D
DSP
data výstup
LNA LO
Obr. 2a) Ideální (Mitolovo) softwarové rádio SR; b) v praxi realizovatelné softwarově definované rádio SDR Převodníky ADC/DAC a další digitální funkční bloky Základními funkčními bloky softwarového rádia jsou převodníky ADC a DAC. Převodníky ADC používané v přijímači převádějí přijímané analogové signály do digitální podoby. Pokud by mělo být v maximální míře využito všech výhod digitálního procesingu, bylo by vhodné uskutečňovat tento převod těsně za přijímací anténou, tedy přímo na vstupu přijímače. Převodník ADC zde zařazený by ovšem musel mít dynamický rozsah nejméně okolo 100 dB, a to při frekvencích přijímaného signálu řádu až několika GHz (např. standardy UMTS využívají pásma okolo 2 GHz, standardy W LAN pásma v okolí 5 GHz ap). Takové koncepce přijímačů však zatím nejsou, vzhledem k omezeným možnostem obvodů ADC, prakticky realizovatelné. Situaci neřeší ani tzv. pásmové vzorkování, které 5
sice zmírňuje požadavky na frekvenční parametry převodníků ADC, avšak u současných aktuálních širokopásmových komunikačních systémů je rovněž většinou prakticky nerealizovatelné. Dynamický rozsah DR převodníků ADC je definován obecně jako poměr maximální velikosti jejich vstupního signálu k velikosti minimální; připomeňme si, že tato minimální velikost je určována především kvantizačním šumem. U n-bitového převodníku je dynamický rozsah DR vázán s počtem bitů n relací DR (dB) ≈ 20 log DR ≅ 6,02 n (dB)
(1)
tedy s každým přidaným bitem se zvětšuje přibližně o 6 dB. Uvažujme dále konkrétní komunikační přijímač, určený například pro vysokofrekvenční pásmo 0,1 až 30 MHz - tedy zhruba pro dlouhé, střední a krátké vlny. U přijímačů tohoto typu se běžně vyžaduje dynamický rozsah 95 až 120 dB, jemuž zřejmě odpovídá 16 až 20 bitová reprezentace kvantovaných vzorků. Pokud by měl převodník ADC zpracovávat přijímané sigály v celém jejich frekvenčním pásmu, tj. s maximální frekvencí fs max = 30 MHz, musel by ve shodě se Shannonovým teorémem pracovat se vzorkovací frekvencí minimálně fv = 2 fs max = 60 MHz. Převodníky s takovými parametry však zatím nejsou na trhu dostupné. Základní problém zde totiž spočívá v tom, že s rostoucím počtem bitů na vzorek a tedy se zvětšováním dynamického rozsahu, se přibližně nepřímo úměrně zmenšuje dosažitelná frekvence vzorkování. Tak například moderní převodníky ADC se vzorkovací frekvencí fv = 60 MHz jsou maximálně 8 až 10 bitové a mají tudíž dynamický rozsah cca 48 až 60 dB, což je ovšem pro většinu aplikací zřejmě nedostačující. Naproti tomu u převodníků se 16 nebo i více bity, které by vyhovovaly svým dynamickým rozsahem, nelze dosáhnout vyšších vzorkovacích frekvencí, než asi 1 MHz. Požadavek velkého dynamického rozsahuje je naprosto nutné u většiny rádiových přijímačů splnit. Proto všechny dosud použité koncepce softwarového rádia využívají "hybridní" přijímače SDR, u nichž jsou vstupní přijímané signály s relativně vysokými frekvencemi nejprve převedeny klasickými analogovými hardwarovými postupy (jedním nebo i vícenásobným směšováním) na podstatně nižší mezifrekvenci, nebo dokonce do základního pásma a teprve poté následuje převodník ADC. Ten potom již snadno dosáhne potřebného dynamického rozsahu. Výstup tohoto převodníku se dále přivádí k digitálním signálovým procesorům. K digitálnímu zpracování signálů v přijímačí i ve vysílači se využívají čtyři základní hardwarové komponenty, původně vyvinuté pro potřeby výpočetní a řídící techniky: • Digitální signálové procesory DSP (Digital Signal Processors); 6
• Procesory pro obecné účely GPP (General Purpose Processors); • Programovatelná hradlová pole FPGA (Field Programmable Gate Arrays); • Integrované obvody pro specifická použití ASIC (Application – Specified Integrated Circuits). V softwarovém rádiu mohou tyto komponenty implementovat různé procesy, jako je frekvenční konverze, frekvenční filtrace, prokládání, kódování a dekódování aj. Jejich hlavní obecné vlastnosti jsou shrnuty v tabulce 1. Výběr vhodné varianty zřejmě závisí nejen na konkrétní požadované funkci, ale i na dalších faktorech jako je výkonová spotřeba, výrobní cena ap. Procesory DSP a GPP se vyznačují velkou flexibilitou a snadnou rekonfigurovatelností. Jejich další předností je možnost opakovaného využití existujících programů v různorodých aplikacích. Proto se často uplatňují například při vývojových pracích v oblasti softwarového rádia. Jejich výpočetní výkon je však relativně malý, neboť jsou založeny na sériovém zpracování dat, někdy doplněném o iterační postupy. Programovatelná pole FPGA aplikují paralelní resp. kvaziparalelní zpracování dat a mají proto podstatně větší výpočetní výkon. Jejich flexibilita je rovněž dobrá, výkonová spotřeba a cena je však značná. Obvody ASIC nejsou programovatelné, proto musí být navrženy zvlášť pro každou konkrétní aplikaci, což je ovšem v určitém rozporu se samotnou podstatou softwarového rádia. Jejich výpočetní výkon je však mimořádně vysoký a při velkosériové výrobě je jejich cena velice příznivá. Proto se uplatňují již dnes a jistě najdou široké využití i v budoucnosti, a to hlavně v zařízeních vyráběných ve velmi velkých sériích (celulární telefony ap). Základní parametry
DSP
GPP
FPGA
ASIC
±
±
+
++
++
++
+
––
opakované využití programů
+
++
±
±
cena při velkých sériích
±
±
–
++
cena při malých sériích
±
±
–
––
výkonová spotřeba
±
±
–
++
výpočetní výkon flexibilita
Hodnocení: + + velmi dobrý; ± průměrný; – – velmi špatný
Tabulka 1. Porovnání základních parametrů digitálních funkčních bloků, používaných při implementaci softwarového radia
7
Přesunování softwaru Přesunování (“stahování”) dat je složité, naznačme si zde proto jen některé jeho základní principy. Uvažovaný proces se například v pozemní mobilní komunikaci realizuje na obou stranách systému. V základnových stanicích BS se obvykle provádí jen při zavádění nových resp. inovovaných koncepcí systému. Naproti tomu v mobilních stanicích MS je přesunování daleko častější, a to hlavně v důsledku mobility uživatelů a jejich měnících se požadavků na poskytované služby v požadované kvalitě. Přesunování softwaru lze provádět více způsoby, z nichž si připomeneme dva nejdůležitější: • První metoda využívá k přesunování dat dedikovaný (vyhrazený) kanál, situovaný přímo v rádiovém rozhraní daného systému a značí se proto symbolem OTA (Over The Air tj. stahování přes „vzduchové“ rozhraní). Stahování OTA má výhodu v tom, že je kompletně řízeno sítí (tj. BS a MS), bez jakékoliv spoluúčasti uživatele. Současné technologie již umožňují stahování menších objemů dat prakticky v reálném čase („on the fly“). Uskutečňuje se například při pohybu uživatelské stanice v oblastech s různými celulárními standardy, automaticky se snaží vyhovět měnícím se požadavkům na kvalitu služeb ap. Jeho nevýhodou je potřeba dedikovaného rádiového kanálu, který je navíc snadno zranitelný, takže stahovaná data musí být chráněna proti chybovosti důkladným kódováním. Přesunování objemných souborů však vyžaduje delší čas a je při něm nutná složitá autentizace uživatelského terminálu i korespondujícího síťového serveru. • Druhou metodou je přesunování přímo z předplatitelského identifikačního modulu. Přesunování například z modulu SIM (nebo USIM ap) nezatěžuje rádiovou síť, je rychlé a bezchybné. Mohou však při něm vznikat problémy při pohybu mezi různými operátory s nekompatibilními technikami stahování, karta SIM vyžaduje zvětšenou kapacitu pamětí ap. Řadu problémů u obou kategorií však postupně odstraňuje pokračující globální unifikace softwarového rádia. Vedle uvedených dvou základních metod se využívá rovněž přesunování softwaru za pomoci jiných komunikačních prostředků, jako jsou technologie Bluetooth, W LAN, IR ap. Oblasti využití softwarového rádia a jeho specifické přednosti Softwarové rádio se nejprve používalo ve speciálních, vesměs vojenských aplikacích. Později začalo ovlivňovat také techniku civilní radiokomunikace, a to zejména tam, kde se objevuje potřeba přenosu určité kategorie signálů, vytvořených však v různých standardech. Tato situace nastává především ve veřejné mobilní komunikaci, kde je ještě 8
v nadcházející etapě mobilních systémů 3. generace v různých světových regionech provozováno pět hlavních, vzájemně zcela nekompatibilních systémů. A právě díky koncepci softwarového rádia bude činnost v rámci těchto různorodých systémů umožňovat jediný softwarový vícemódový a vícerozsahový mobilní terminál. Specifické přednosti softwarového rádia však bude možné s úspěchem využívat i v jiných sférách rádiové komunikace, ať již je to digitální rozhlas DAB a televize DVB, svět multimédií (stahování objemných audio a video souborů, elektronické hry ap), mobilní e-byznys, lokační a navigační služby atd.
2. Kognitivní rádio Na softwarové rádio těsně navazuje kognitivní rádio CR (cognitive radio, context-sensitive smart radio). To se kromě uvedených charakteristik adaptace vyznačuje již výraznou mírou vlastní inteligence 3, která mu umožňuje snímat a hodnotit rádiové prostředí‚ v němž se nachází, a na základě toho realizovat inteligentní rozhodnutí vedoucí k optimalizaci spojení. Na rozdíl od softwarového rádia může kognitivní rádio řešit potřebné operace naprosto autonomně. Vedle poměrně jednoduchého snímání externího prostředí je ve svých pozdějších vývojových fázích například schopné automaticky provádět i složitou adaptaci různých síťových protokolů, dojednávat původně neplánované kooperace s různými rádiovými sítěmi ap. Připomeňme, že pod běžně užívaným pojmem kognitivní rádio se většinou rozumí kognitivní rádiová síť CWN (cognitive wireless network). Tato síť se obecně skládá ze dvou hlavních složek a to z centrální fixní kognitivní infrastruktury (central cognitive engine) a z kognitivních uzlů (cognitive nodes). Centrální infrastruktura, která je obdobou mobilní ústředny MSC v celulárních sítích, disponuje výraznými prvky inteligence a provádí inteligentní management kognitivní sítě. Kognitivní rekonfigurovatelné uzly jsou potom obdobou celulárních základnových stanic BTS a mobilních stanic MS. Definice a klasifikace kognitivního rádia CR Kognitivní rádio CR je původně definováno jako rádiový systém (Tx/Rx) využívaný sekundárními, nelicencovanými uživateli, který 3 Pro účely tohoto příspěvku se bude dále inteligencí systému ap. rozumět vysoká sofistikovanost adaptivity postupů, využívající současné špičkové techniky znalostních systémů, datových struktur, optimalizací procesů, taktického a strategického rozhodování.
9
automaticky spojitě skanuje rádiové spektrum primárních uživatelů. Zjistí-li, že určitý konkrétní segment tohoto spektra je právě volný nebo je alespoň podstatně méně využíván než segment jím dosud obsazený, velmi rychle do něho "přeskočí" a v případě potřeby ho opět opustí, tak aby nedocházelo k rušení zmíněných PU. Tento “oportunistický” management spektra (ve smyslu opouštění zásad pro krádkodobé dílčí cíle), spolu s adaptivním řízením vysílacích výkonů, přispívá k podstatnému snížení interferencí a tedy také ke zvýšení propustnosti daného systému a to při zachované - nebo i vyšší kvalitě služeb QoS. Tato původní varianta se označuje jako kognitivní rádio se snímáním spektra SSCR (spectrum sensing cognitive radio). V dalších fázích vývoje se u kognitivního rádia začínají automaticky adaptivně měnit - v závislosti na stavu kanálu, ale i na požadavcích jeho uživatelů - také jeho další parametry. Adaptivní změny se týkají především technologie rádiového přístupu RAT (radio access technology), tedy typu modulace a kódování, techniky mnohonásobného přístupu, vysílacích výkonů ap. Adaptivně se však může měnit i celková topologie kognitivního rádia, jeho komunikační protokoly ap. Původní jednodušší změny se zatím realizují jen v nejnižší fyzické a nadřazené linkové vrstvě přenosu, později však budou zasahovat i do jeho vyšších vrstev. Tato perspektivní varianta se označuje jako plně kognitivní rádio FCR (full cognitive radio). What is Cognitive Radio? "...a radio that is aware of its surroundings and adapts intelligently" Summarising Mitola III 2000 Cognitive Radio User Data Desired QoS
Environment Awareness Information
Tx/Rx
SDR= Software Defined Radio ADC
Rules
ISP = Intelligent Signal Processing Awareness (of spectrum)
DSP
DAC
Policy Box
Obrázek 3 Originální definice kognitivního rádia, formulovaná J. Mitolou III již v roce 1999 Na obrázku 3 je ilustrována obecná definice kognitivního radia CR podle Mitoly III. Jeho základem je softwarové rádio SR, resp. v praxi rádio SDR, které je doplněno inteligentním signálovým procesingem ISP (intelligent signal processing). Symbolicky lze tedy psát: 10
CR = SR + ISP Inteligentní složky jsou na obrázku 3 zastoupeny blokem Awareness („oceňování“ resp. „vyhodnocování“ spektra) a blokem Policy Box („řízení“). Pokud kognitivní rádio využívá výhradně frekvenční pásma přidělená licencovaným uživatelům, označuje se zkratkou LBCR (licensed band cognitive radio). Koexistencí nových radiokomunikačních standardů IEEE 802 v těchto pásmech se zabývá tematická skupina TG2 pracovní skupiny IEEE 802.15. Naopak nelicencované kognitivní rádio UBCR (unlicensed band cognitive radio) využívá pouze bezlicenční pásma ISM, UNII a další; koordinaci funkcí různých standardů v těchto pásmech řídí technická poradní skupina TAG v rámci standardů IEEE 802.19. První konkrétní pokusy s rádiem LBCR prověřovaly možnost využití licencovaného pásma digitální televize cca 400 až 800 MHz a dále radarových pásem v okolí frekvence 5 GHz pro provoz rádiových sítí WLAN (IEEE 802.11b/g), kterým jejich vlastní přidělená pásma přestávají dostačovat. Přitom se jako mobilní terminály využívaly notebooky nebo terminály PDA, které totiž už disponují dostatečnou výpočetní kapacitou, která je v kognitivních systémech nezbytná. Svou podstatou je CR vhodné zejména pro aplikace nevyžadující striktně spojení v reálném čase (stahování videa do mobilních terminálů a jeho pozdější přehrávání ap.). Mimořádný zájem o kognitivní rádio projevují od jeho počátků také armáda, záchranné sbory ap. Ty na něm oceňují především schopnost adaptivně se přizpůsobovat neočekávaně a rychle se měnícím podmínkám v rádiovém prostředí, což umožňuje např. v havarijních situacích udržovat rádiové spojení mezi často značně různorodými sítěmi ap. V budoucnu se však najde určitě celá řada dalších aplikací této progresívní techniky. Některé principy kognitivního rádia se využívají již u současných systémů (adaptivní alokace kanálů u bezšňůrových telefonů DECT, již zmíněné adaptivní modulace a kódování u vylepšené “kognitivní” verze systému EDGE ap.). Nasazení prvních komerčních systémů plně kognitivního rádia FCR se všemi jeho atributy však lze očekávat nejdříve až asi po roce 2015. Snímání frekvenčního spektra IPD, dynamický výběr frekvence DFS a řízení vysílacího výkonu TPC Každé kognitivní rádio realizuje minimálně tři základní funkce, a to snímání frekvenčního spektra IPD (interference power density), dynamickou selekci frekvence DFS a řízení vysílacích výkonů TPC (transmit power control). V průběhu jeho krátké historie se však soubor dosažitelných funkcionalit rozšiřuje a to například o proces učení a pozdějšího uplatňování 11
naučených poznatků, významné je zavádění nepřetržité lokalizace všech mobilních uzlů kognitivní sítě, možnost jejich týmové spolupráce ap. Všimněme si těchto atributů kognitivního rádia podrobněji. Snímání frekvenčního spektra IPD Jednou ze základních funkcí určité sítě kognitivního rádia CR je nepřetržité snímání resp. detekce spektra (výkonové spektrální hustoty, power spectrum density - PSD), prováděná v aktuální lokalitě. Na snímku tohoto spektra musí být zachyceni především jeho primární “povinní” uživatelé, proto se uvedený mechanismus snímání označuje jako detekce povinného profilu IPD (incumbent profile detection). Funkce IPD umožňuje nalézt ve spektru volné neobsazené úseky (“white space”), v nichž mohou účastníci kognitivní sítě komunikovat. Připomeňme, že například podle příslušných standardů FCC pro digitální televizi se za neobsazená pásma považují ta, v nichž úroveň rádiových signálů RSL (radio signal level), měřená v pásmu o šířce 1,25 MHz při použití všesměrové antény, nepřesáhne hodnotu – 83 dBm (nevyžaduje se tedy úroveň “absolutní nuly”). Plně kognitivní rádio FCR potřebuje ke své činnosti mnohem více informací, než které poskytuje technika IPD. Ty jsou shrnuty v obsáhlé multidimensionální integrované databázi, označované jako mapa rádiového prostředí REM (radio environment map). Zde jsou kromě profilu spektra IP obsaženy ještě důležité geografické informace, přehled dosažitelných služeb daného systému CR, informace o současné poloze a aktivitách konkrétních systémů CR a informace o spektrální situaci poskytované regulačními orgány ap. Jsou zde také zaznamenány zkušenosti získané sítí CR při její minulé činnosti. Začlenění mapy REM do systému kognitivního radia ukazuje obrázek 4. Snímání prostředí (observation) zde postihuje většinu funkčních vrstev, které realizují komunikaci (modely vycházejí z referenčního modelu ISO/OSI). Jeho výsledky přicházejí přímo do bloku REM. Příslušné informace potom mohou být využívány pro typické funkcionality kognitivního rádia, jako je oceňování rádiové situace v daném prostředí (awareness), dedukce (reasoning), učení (learning), rozhodování (decision), plánování příštích činností (planning) a adaptace na měnící se podmínky (adaptation) ap. Proces učení využívá zkušenosti získané v předchozích etapách provozu a uložené v paměti (jsou to například informace o nejméně vytížených frekvencích v určité konkrétní lokalitě a v určité denní době ap.). Takto získané poznatky potom může síť později aplikovat při inteligentních rozhodovacích procesech. Při výběru optimálních parametrů se začínají úspěšně uplatňovat nejrůznější techniky a 12
metody z oblasti kybernetiky a dalších oborů (neuronové sítě disponující některými rysy umělé inteligence, ap.).
Awareness Awareness
Reasoning ReasoningLearning Learning
application transport
Global Globaland/or and/or Local LocalREM REM
network link physical
Observation Observation
Decision Decision Planning Planning Adaptation Adaptation Network PSTN/ISDN Support
Obrázek 4 Začlenění mapy rádiového prostředí REM do systému kognitivního radia Dynamický výběr frekvence DFS Je - li znám profil spektra IP primárních uživatelů, je možné s jeho pomocí realizovat dynamický výběr frekvence DFS (dynamic frequency selection), která je dalším charakteristickým rysem kognitivního rádia. Mechanismus DFS vždy přidělí konkrétnímu účastníkovi systému CR určitý volný segment spektra, v němž je výkon interferujících složek primárních vysílačů menší než detekční práh DFS (DFS detection threshold). Tento práh představuje maximální přípustnou hodnotu celkového výkonu interferujících složek primárních vysílačů, uvažovanou na vstupu kognitivního přijímače jistého sekundárního uživatele (SU). Jestliže skutečný celkový interferující výkon překročí uvedený horní limit, přidělený segment již nelze považovat za volný, proto v něm musí nelicencovaný vysílač přerušit provoz a přejít na jiný neobsazený kanál. Ve volných úsecích spektra mohou účastníci kognitivní sítě bez problémů komunikovat. V určitých systémech CR přitom mají fixně stanoven přenosový formát (typ modulace a multiplexu ap.), avšak v některých případech si mohou tento formát libovolně volit. Přitom by se mělo sledovat dosažení optimální spektrální a energetické účinnosti celého systému. Této podmínce zpravidla nejlépe vyhovuje ortogonální frekvenční multiplex OFDM. Ten by však ve své konvenční podobě mohl rušit přesahy svého spektra sousední primární uživatele. Vhodnou modifikací tohoto spektra, ve spojení s účinným řízením výkonu TPC, se potom upravený multiplex OFDM stává optimálním přenosovým formátem pro většinu aplikací kognitivního rádia. 13
Řízení vysílacího výkonu TPC Vysílací výkony vysílačů sekundárních uživatelů (SU) v uvažovaných neobsazených pásmech sice nejsou nijak striktně omezeny, avšak jejich parazitní frekvenční složky vznikající nedokonalou frekvenční filtrací, intermodulacemi ap., mohou snadno zasahovat i do pásem právě využívaných primárními účastníky (PU). Má-li potom být zajištěn jejich nerušený provoz, nesmí výkonová úroveň uvažovaných interferencí přesáhnout určitý celkový horní limit. Z toho ovšem vyplývá nutnost realizovat ve vysílačích kognitivní sítě CR řízení vysílacích výkonů TPC, které je třetím neodlučitelným rysem kognitivního rádia. Aplikace uvedených technik se v praxi střetává s řadou závažných problémů. Detekce IPD se provádí v terminálech sekundárních uživatelů SUs a může tedy pouze zaručit, že mechanismus TPC náležitě omezí vysílací výkony těchto terminálů na přípustnou úroveň v lokalitách, kde se právě nacházejí; zde potom probíhá komunikace primárních uživatelů bez problémů. Tato nastavená úroveň se však může jevit jako příliš vysoká v oblastech, které jsou vzdálené od zmíněných lokalit. Pokud se pak primární uživatelé pohybují zde, může být jejich komunikace postižena výraznými interferencemi, generovanými právě sekundárními uživateli. Dalším problémem je samotná technika detekce výkonového profilu IP vysílačů primárních uživatelů. Jednoduchý výkonový (energetický) detektor je k tomuto účelu málo vhodný, neboť jeho přesnost je při malých poměrech signál/šum, vlivem nekoherentního zpracování signálů a interferencí, již zcela nedostatečná. Lepší je z tohoto hlediska cyklostacionární detektor, založený na analyzování spektrální korelační funkce zkoumaného spektra; to mu umožňuje rozlišit modulované signály od šumu a díky tomu detekovat i podstatně slabší signály, než je schopen výkonový detektor. Z hlediska funkce je výhodný detektor založený na využití přizpůsobeného filtru, který je však realizačně náročný 4. Interferenční teplota IT Při tradičním posuzování rušivých signálů, působících na vstupu určitého přijímače, se odděleně zkoumá působení šumů (základního šumového pozadí v rádiovém kanálu) a dále působení nejrůznějších dalších interferencí (signálů nežádoucích vysílačů určujících práh DFS, atmosférických poruch ap.). V systémech CR se však ukazuje z hlediska monitorování a managementu spektra jako vhodnější nedávno zavedený syntetický parametr, označovaný jako interferenční teplota ITc (interference 4 Výše je zmíněn jednak maximální přípustný výkon interferujících složek primárních vysílačů, jednak maximální limitní výkon interferujících složek, způsobených sekundárními nelicencovanými uživateli. Tyto dvě veličiny mají rozdílný význam a nelze je zaměňovat!
14
temperature) [4], [5], [6]. Oproti zmíněnému staršímu přístupu bere tato veličina v úvahu kumulativní efekt všech zdrojů interferující energie včetně šumů, působících v aktuálních rádiových pásmech na vstupu přijímače sekundárního účastníka. Interferenční teplota ITc je teplotním ekvivalentem celkového interferenčního výkonu Pi dosažitelného v přijímací anténě, normovaného k šířce pásma 1 Hz a vyjádřeného v jednotkách Kelvin. Je definována vztahem ITc ( f c , B) =
Pi ( f c , Bc ) kBc
(2)
přičemž ITc (fc, Bc) je interferenční teplota pro rádiový kanál c, se šířkou pásma Bc a střední frekvencí fc; tato veličina je vyjádřena v jednotkách Kelvin; Pic (fc, Bc) je celkový střední interferující výkon působící v uvažovaném kanálu, vyjádřený ve wattech; k = 1,38 . 10-23 Joule/Kelvin je Boltzmannova konstanta. V odborných pramenech se objevují i formálně poněkud modifikované definice interferenční teploty ITc. Časté je zjednodušené vyjádření ITc =
I+N kBc
(3)
kde I je celkový výkon interferencí a N je výkon šumu, působících na vstupu určitého kognitivního přijímače. Komise FCC v dokumentu [4] doporučuje, aby nelicencovaným uživatelům bylo dovoleno využívat v určité geografické lokalitě licencovaná pásma primárních uživatelů pouze za předpokladu, že skutečná interferenční teplota ITc v této lokalitě nepřesáhne určitý práh (horní limit) interferenční teploty ITc max (interference temperature threshold). Regulační orgány potom musí stanovit příslušné prahové hodnoty ITc max ve všech aktuálních lokalitách a ve všech aktuálních frekvenčních pásmech, využívaných kognitivním radiem. Uvedený práh tedy představuje maximální přípustnou hodnotu („čepici“) tolerovatelných interferencí. Vzájemnou souvislost uvažovaných veličin ukazuje obrázek 5. Zde jsou pro konkrétní rádiové pásmo Bc znázorněny výkony licencovaného vysílače i výkony všech interferencí, objevující se na vstupu určitého přijímače, v závislosti na jeho vzdálenosti od licencovaného vysílače. Přijímač primárního uživatele bude ovšem přijímat pouze svůj licencovaný signál, který by v jeho aktivní oblasti měl být nad prahem interferečního výkonu Pic max, resp interferenční teploty ITc max. Jsou zde rovněž patrné volné segmenty spektra, které mohou využívat kognitivní sítě, ovšem jen s takovými výkony, aby interference nepřesáhly práh ITc max. Interpretace 15
relace (1) v praxi však není nikterak jednoduchá, podrobný rozbor této problematiky je obsažen v [6].
výkon na vstupu přijímače
licencovaný signál minimální servisní rozsah pro PUs nad interfer. limitem
nevyužité volné segmenty spektra pro SUs skutečná úroveň interferencí
horní limit interfer. výkonů P i c max (teploty ITc max)
originální šumové pozadí
vzdálenost přijímače PU od licencovaného vysílače
Obrázek 5 Licencovaný signál a různé interferující složky na vstupu přijímače primárního uživatele Další přídavné funkcionality v kognitivním radiu Vedle základních funkcí IPD, DFS a TPC se v kognitivních sítích začínají postupně uplatňovat další techniky resp. metody, významně zlepšující jejich funkci [11]. Jednou z nich je strojové učení (machine learning), které umožňuje elementům kognitivní sítě shromažďovat empirické poznatky o aktuální činnosti, ty ukládat do znalostní databáze (knowledge base) a v budoucnosti je pohotově aplikovat při rozhodovacích procesech ap. Složitý proces učení založeného na získané zkušenosti lze v některých aplikacích nahradit jednodušším procesem rozumové dedukce (reasoning deduction), realizované specifickými expertními systémy, původně se uplatňujícími v systémech umělé inteligence. Další podpůrnou funkcionalitou kognitivního radia je vyhodnocování polohy (location awareness), poskytující kognitivní síti informaci o okamžité poloze všech jejích mobilních uzlů. K vlastnímu určování polohy může sloužit navigační systém GPS, lze také aplikovat alternativní terestrické navigační metody, již běžně využívané v buňkové síti GSM ap. Lokalizační informace mohou být užitečné při optimalizaci kognitivní sítě, a to například v procesech dynamického managementu spektra DFS, při mechanismu předávání ap. 16
Výrazným pokrokem je také přechod od původních “individualistických” forem funkce jednotlivých uzlů kognitivní sítě, k jejich teamové, kolaborativní činnosti (teamwork, collaboration cognitive network). Ta může být využívána k výměně informací mezi jednotlivými kognitivními uzly. Může však být také aktuální v případech, kdy si tyto uzly nemohou samy o sobě zajistit potřebné přenosové kapacity, přenosové rychlosti ap., avšak mohou se dohodnout o tom, jak (negotiating) tento problém řešit. Skryté uzly v kognitivním rádiu
UE3
terminály primárních uživatelů PUs
překážky (domy, kamiony...
překážky (terén, stromy...
Na obrázku 6 je ilustrován závažný problém skrytých uzlů (hidden node problem), který často ztěžuje úspěšnou aplikaci kognitivního radia. Zde jsou znázorněny čtyři uživatelské terminály UE (user equipment). Terminály UE1 a UE2 primárních uživatelů spolu vzájemně komunikují. Terminály UE3 a UE4 sekundárních uživatelů se sice ještě nacházejí v jejich aktivním dosahu, avšak jsou zastíněny např. přírodními překážkami ap. Mají - li potom jejich přijímače nedostatečnou citlivost, nebudou přítomnost terminálů UE1 a UE2 v daném frekvenčním spektru vůbec registrovat. Jejich pásma budou tedy považovat za neobsazená a budou v nich realizovat svou komunikaci a tím ovšem budou primární terminály UE1 a UE2 rušit. Tento problém lze potlačit tak, že se v kognitivních terminálech použijí extrémně citlivé přijímače, s mezní citlivostí přesahující o několik desítek decibelů standardní hodnoty. Takové přijímače jsou však s využitím moderních technik (mnohouživatelská detekce, diversita MIMO ap) již dobře realizovatelné.
UE2
UE1
UE4
zastíněné terminály sekundárních uživatelů SUs
Obrázek 6 Problém skrytých uzlů (terminálů) v kognitivních sítích
4. Typické scénáře aplikací kognitivního rádia 17
Jeden z prvních pokusů o aplikaci kognitivního rádia LBCR v licencovaných televizních pásmech je ilustrován na obrázku 7. Zde jsou znázorněny dva televizní vysílače TV1 a TV2, které reprezentují primární uživatele spektra a svými signály na kanálech Ch1 a Ch2 pokrývají příslušné televizní servisní oblasti obsluhy (service area). Dále zde jsou zobrazeny dvě sítě W-LAN sekundárního kognitivního rádia CR. Síť CR1 se nachází mimo TV vysílač Ch(2)
kognitivní síť TV vysílač Ch(1) CR3 - na Ch(3
snímání IPD
hranice servisní oblasti TV Ch(1) [-83 dBm]
snímání IPD
kognitivní síť CR2 - na Ch(2)
kognitivní síť CR1 - na Ch(1)
hranice servisní oblasti TV Ch(2) [-83 dBm]
Obrázek 7 Typický scénář tří kognitivních sítí, využívajících TV kanály na oportunistické bázi, aniž by přitom způsobovaly interference v prioritních TV přijímačích servisní oblast TV1, a proto může využívat televizní kanál Ch1 a vysílat s relativně velkými vysílacími výkony. Přesto však musí neustále snímat signál vysílače TV1 a na základě toho nastavovat uvedené výkony jen na takovou úroveň, která ještě nebude rušit regulární televizní vysílání v servisní oblasti TV1. Podobná situace vzniká u kognitivní sítě CR2, využívající televizní kanál TV2. Pokud by se nacházela kognitivní síť CR1 uvnitř servisní oblasti vysílače TV1, nebyl by její provoz na stejném kanálu Ch1 prakticky možný, neboť příslušné dovolené výkony vysílačů této sítě by byly tak nízké, že by neumožňovaly její požadovanou funkci. Při konvenčním frekvenčním plánování soustav televizních vysílačů se však nikdy v určité lokalitě nenacházejí vysílače pracující na sousedních kanálech (k zamezení vzájemných interferencí na sousedních kanálech by totiž bylo nutné v televizních přijímačích používat selektivní obvody s velmi vysokým potlačením sousedních kanálů, které jsou v praxi jen obtížně realizovatelné). Tuto skutečnost znázorňuje konkrétní příklad spektra televizních vysílačů v 18
relativní amplituda (není v měřítku)
určité lokalitě (Seattle USA) podle obrázku 8, z něhož vyplývá, že zde je mezi aktuálními použitými televizními kanály o šířce 6 MHz vždy mezera o šířce nejméně 24 MHz, odpovídající čtyřem kanálům. A právě v těchto mezerách je potom možné provozovat kognitivní sítě, přestože tento frekvenční prostor rovněž spadá do licencovaného televizního pásma. Při obvyklém statickém plánování televizní sítě dokonce nebude nutné kognitivní terminály přelaďovat, neboť uvažované mezery mají fixní frekvenční polohu. 54 MHz
30 MHz
čísla TV kanálů
16
72MHz
22 33
482
488
24 MHz
30 MHz
518
524
578 584
45
51
656 662
692 698
56
722 728
frekvence [MHz] (není v měřítku)
Obrázek 8 Spektrum televizních vysílačů (televizních kanálů) v UHF pásmu, v lokalitě Seattle (USA)
5. Implementace kognitivního rádia na bázi softwarového rádia Na obrázku 9 je znázorněna základní koncepce kognitivního rádia CR, vybudovaného na bázi softwarového rádia SDR. Spojení CR s vnějším světem zprostředkuje širokopásmová anténa, která v kombinaci s duplexerem slouží pro vysílání i pro příjem. Šířka pásma této antény závisí na konkrétních aplikacích. Pokud se například uvažuje rádio typu LBCR, využívající volné frekvenční segmenty v relativně širokém pásmu digitální televize 400 až 800 MHz, je výhodné toto pásmo rozdělit do N sektorů s šířkami pásma Δfi, z nichž každý je přidělen určitému dílčímu systému SDRi. Celková šířka pásma uvažované antény je potom určena jako suma ∑iN=1 Δf i . U kognitivního radia se často aplikuje prostorově časová diverzita MIMO s mnohonásobným anténním polem, tj. s více vysílacími a více přijímacími anténami. Technika MIMO obecně zvětšuje odolnost proti únikům, zvyšuje spektrální účinnost a nabízí prostorovou selektivitu, výrazně rozšiřující funkční možnosti CR. Blok dynamického výběru frekvencí DFS plní funkce související s procesy automatické frekvenční 19
selekce, sledující potlačení nebezpečných interferencí ohrožujících licencované uživatele, zejména uživatele s garantovanou zvýšenou prioritou ap. V každém dílčím frekvenčním sektoru je nutné v přijímacím modulu daného systému zpracovávat v reálném čase značný objem dat. Proto rozdělení celého pásma CR do více sektorů s paralelně řazenými dílčími systémy SDRi je při současné technologické úrovni - zejména technologii jejich digitálních signálových procesorů (digital signal proessor- DSP, případně také FPGA, GPP aj.), nezbytné. Lze však předpokládat, že procesní výkon uvažovaných procesorů se bude nadále zvětšovat, takže v budoucnu popisovaný systém pravděpodobně vystačí s jediným procesorem DSP. Data ze všech dílčích bloků SDRi se přivádějí do výstupní jednotky přijímače, realizující inteligentní rozhodovací procesy. Tyto procesy zahrnují rozpoznávání dat, jejich selekci a kombinování. Tím se získávají požadovaná výstupní uživatelská data.
širokopásmová širokopásmová anténa anténa
šířka pásma =
∑
duplexer duplexer N i =1
Δfi
dynamická selekce dynamická selekce frekvence DFS frekvence DFS
SDR SDR11(Δf (Δf11))
SDR SDR22 (Δf (Δf22))
SDR SDRNN (Δf (ΔfNN))
DFS: Dynamic Frequency Selection IPD: Incumbent Profile Detection TPC: Transmit Power Control SDR: Software Defined Radio
rekognoskace informace/ informace/ rekognoskace selekce/ selekce/ kombinování kombinování
přijímací modul
vícenásobná anténa (diversita MIMO)
výstupní data
detekce povinného profilu IPD IPD (REM) detekce povinného profilu
vysílací modul Chen, H. - Guizani, M.: Next Generation Wireless Systems and Networks. J. Wiley & Sons, N. J. 2006, USA
hradlo hradlo časování časování
řízení řízenívysílacího vysílacího výkonu výkonuTPC TPC
adaptivní adaptivní syntetizér syntezátor
vstupní data
Obrázek 9 Koncepce kognitivního radia CR, implementovaného na platformě softwarově definovaného radia SDR Vysílací modul na obrázku 8 obsahuje adaptivní syntezátor frekvencí, generující referenční nosnou vlnu, používanou při modulaci, a následující frekvenční konverzi “nahoru”. K tomu musí mít vysílací modul nepřetržitě k dispozici informaci od jednotky IPD o aktuálním spektru. Je však žádoucí, aby byla doplněna mapou REM, obsahující další důležité aktuální 20
informace. Podobné funkce v časové oblasti realizuje hradlo časování, které kontroluje vysílací časové sloty tak, aby byly ve vhodných okamžicích situovány pouze do volných segmentů spektra.
6. Prostorová filtrace Na širokopásmový vstupní analogový díl přijímače kognitivního systému jsou kladeny neobyčejně vysoké nároky. Potřebnou šířku pásma řádu až několika oktáv, zasahující obvykle do gigahertzové oblasti, musí zvládnout nejen tento díl, ale i následující převodník ADC. Velikost signálů primárních vysílačů v jeho přijímací anténě se může měnit od prahových hodnot na úrovni šumového pozadí (od vzdálených nebo zastíněných vysílačů) až po vysoké úrovně, převyšující o 30 až 40 dB průměrnou hodnotu přijímaných signálů (blízké vysílače, interference ap.). Zajištění uvedené extrémní šířky pásma a dynamického rozsahu je pro analogový vstupní díl při dnešních technologiích již reálné. Naproti tomu současné dosažení obou těchto parametrů je pro převodníky ADC zatím prakticky nemožné. Z hlediska dynamického rozsahu největší problémy obvykle způsobuje jeden nebo několik málo velmi silných rušivých signálů, pocházející od blízkých vysílačů primárních uživatelů. Pokud se je podaří potlačit, výrazně se uvolní požadavky na dynamický rozsah přijímače a současně se zvýší jeho užitečná citlivost. Požadované potlačení mohou zajistit úzkopásmové zádrže (notch filters), které však musí být přeladitelné v celém širokém aktuálním pásmu (neboť frekvence rušivého signálu není předem známá), takže jejich implementace i přelaďování jsou značně komplikované. Jako velice efektivní se ukazuje alternativní řešení podle obrázku 8, u něhož se získává potřebné potlačení rušivých signálů filtrací v prostorové oblasti, a to s využitím fázovaných anténních polí (phased antenna array) [7]. Místo jediné antény je v přijímači více anténních prvků, vytvářejících v souhrnu jedinou ekvivalentní syntetickou (vícenásobnou) anténu. Jejich signály se po selektivním nízkošumovém zesílení LNA v následujících dílčích fázových posouvačích ΔΦι individuálně fázově posouvají (a případně i váhují) a poté sčítají. V závislosti na uvedených fázových posuvech se vytváří potřebná výsledná směrová charakteristika, s výrazně potlačeným příjmem ve směrech nežádoucích vysílačů primárních uživatelů. Zpracování signálu uvedenou metodou se však musí realizovat v analogové části přijímače ještě před zesilovačem AGC (automatic gain control). Na výstupu sumačního členu se tedy získává signál s již potlačenými hlavními interferencemi. Jeho snížený dynamický rozsah se potom ještě dále redukuje v zesilovači s řízeným ziskem AGC, což je výhodné pro následující 21
převodník ADC. V zapojení podle obrázku 8 za tímto převodníkem následuje blok DBB AA, který s využitím adaptivního algoritmu AA vypočítává koeficienty anténního pole, které se pak ve zpětnovazební smyčce přivádějí zpět k fázovým posouvačům dílčích antén. Kromě redukce dynamického rozsahu se uvedenou technikou také může zvýšit citlivost přijímače. výsledná směrová charakteristika nejsilnější rušivý signál od primárního uživatele PU1(f1)
dílčí anténní elementy (syntetická anténa) BPF
hlavní směr příjmu
slabší rušivý signál od primárního uživatele PU2 (f2)
BPF: Band Pass Filter LNA: Low Noise Amplifier ΔΦ: Phase Shifter AGC: Automatic Gain Control ADC: Analog Digital Converter DBB AA: Digital BB Adaptive Algorithm BB: Base Band
ΔΦ
LNA
Σ
velmi velký dynamický rozsah
AGC
ADC
DBB AA
redukovaný dynamický rozsah
Obrázek 8 Přijímač CR s prostorovou filtrac, využívající fázované anténní pole, které vytváří směrový diagram s výraznými minimy, orientovanými na nejsilnější rušivé signály; tato koncepce zmenšuje potřebný dynamický rozsah kognitivního přijímače a zvyšuje jeho citlivost
7. Adaptivní režim obvodů v kognitivních systémech Ve vyspělých kognitivních sítích se adaptivně mění nejen například technologie rádiového přístupu RAT (random access technology) a další systémové parametry, ale dokonce i parametry resp. pracovní režim dílčích obvodů přijímačů a vysílačů. K ilustraci tohoto přístupu je na obrázku 10 znázorněn fázový šum oscilátoru VCO (voltage controlled oscillator), použitého v přijímači mobilního terminálu pro více standardů, a to ve funkci místního oscilátoru v měniči frekvence. Tento šum se transformuje do mf pásma a může výrazně zhoršovat výsledné šumové parametry přijímače, a proto by neměl přesáhnou určitou mez [12]. U některých buňkových standardů jako je např. DCS1800, přijímač často pracuje při malých poměrech signál interference SIR, a proto také vyžaduje nízkou úroveň fázového šumu, cca -123 dBc/Hz při ofsetu 1 MHz. 22
K jejímu dosažení se musí nastavit klidový proud oscilačního tranzistoru Ic na relativně velkou hodnotu Ic = 6 mA. Naproti tomu např. u lokálního bezšňůrového telefonu DECT má přijímač zajištěn většinou velký poměr SIR, a proto je u něho přípustná relativně vysoká úroveň fázového šumu cca -100 dBc/Hz při ofsetu 1 MHz, které se dosáhne při klidovém napájecím proudu oscilačního tranzistoru jen o malé hodnotě Ic = 0,5 mA. Adaptivní volbou proudu Ic je tedy zřejmě možné získat nezanedbatelné úspory ve stejnosměrném odběru (napájení) mobilního terminálu, aniž by se přitom zhoršovaly parametry činnosti požadované jednotlivými standardy.
Obrázek 10 Fázový šum oscilátoru VCO pro pásmo 2,1 GHz, znázorněný pro dva různé klidové proudy 0,5 mA a 6 mA; při ofsetu 1 MHz se příslušné fázové šumy liší o cca 20 dB, poměr odpovídajících proudů přitom je 1: 12
Závěr Základním přínosem kognitivního radia CR je velice efektivní využití spektra netradičním, utilitárním způsobem. S jeho dalším rozšiřováním budou regulační orgány také postupně zbavovány břemena náročného “archaického” managementu této komodity. Výrobcům příslušných technologií přináší flexibilní kognitivní radio úspory při vývoji i při výrobě technických prostředků pro nové standardy, neboť jejich inovační cyklus se právě díky této flexibilitě bude prodlužovat. Základní principy funkce kognitivního radia, založené na hledání optimálních volných frekvenčních pásem a na minimalizaci interferencí, potom jeho uživatelům zajistí lepší kvalitu poskytovaných služeb QoS. Schopnost adaptace na měnící se okolní rádiové prostředí bude velice vítaná zejména v různých speciálních aplikacích (armáda, záchranné sbory ap.). Během dalšího vývoje kognitivního radia však bude nutné vyřešit ještě řadu otázek. Mezi nejzávažnější náleží problém interferencí s primárními uživateli spektra a problém skrytých uzlů. Aktuální je dále 23
zajištění vyššího stupně ochrany proti zneužití, které závisí především na pokrocích v technologii softwarového radia. Problém relativně značné technické složitosti a vysokých nároků na výpočetní výkon mobilních i fixních složek systémů CR se bude s jejich předpokládaným zdokonalováním postupně zmenšovat. Již v současné době se v kognitivních systémech začínají uplatňovat například progresívní trojdimenzionální tenkovrstvé technologie (3D - Multilayer thin film technology), RF mikroelektromechanické systémy (RF-MEMS) a další nejnovější technologie. Přestože kognitivní radio je v podstatě schopné autonomní činnosti, musí být do určité adekvátní míry jeho provoz regulován a harmonizován s ostatními uživateli spektra. Výše byly zmíněny dílčí aktivity pracovních skupin IEEE 802.15 a IEEE 802.19, zabývajících se koexistencí nových radiokomunikačních standardů IEEE 802. Již v roce 1990 byl v USA zahájen vojenský program JTRS (Joint Tactical Radio System), zaměřený na vývoj široké rodiny revolučních softwarově programovatelných taktických rádiových systémů, které poskytnou vojenským jednotkám v celém bojovém prostoru možnost hlasové, datové a obrazové komunikace, jakož i dokonalou interoperabilitu. Tyto standardy postupně nahradí velice různorodé konvenční systémy rádia podléhajícího klasickému povolovacímu řízení, které uvedenými atributy nedisponují. Komplexně se problematikou kognitivního radia zabývá také pracovní skupina IEEE P1900, vytvořená v roce 2005. K jejím hlavním úkolům patří koncipování nových podpůrných standardů, zaměřených na technologie a techniky, které se budou uplatňovat v rádiových sítích příštích generací NGN (jsou to perspektivní metody managementu spektra, softwarové a kognitivní rádio ap). V oblasti celosvětové však není proces standardizace ani zdaleka ukončen. Přes všechny uvedené problémy se kognitivní rádio začne již v nejbližších letech určitě prosazovat v řadě aplikací, mezi nejslibnější z nich náleží: ● Předávání multimediálních obsahů (v režimu off-line). ● Komunikace v nouzových situacích, se zajištěním náležitých priorit pro vybrané skupiny uživatelů. ● Širokopásmové rádiové služby (bezdrátový Internet ap). ● Aplikace v multimediálních sítích (on-line). ● Aplikace ve vojenských, bezpečnostních a dalších speciálních složkách. Dalším využitím CR, které se rýsuje v blízké době, je jeho implementace v existujících buňkových systémech a v oblasti technologií přístupových sítí. V současné době představuje technologie CR vykročení radiokomunikací do světa architektury obecných systémů elektronických 24
komunikací, objevuje se jako prvek integrující v sobě tři odborné oblasti – radioelektroniku, problematiku sítí a informační technologie. V současnosti je standardizační úsilí zaměřené na CR orientováno především na jeho integraci do existujících a připravovaných sítí aniž se řeší konkrétní jednotlivé aplikace. Možnostmi, které se pro jeho uplatnění rýsují, jen dokládá vykročení radiokomunikací do nastupujícího světa sofistikovaných systémů (NGN, hybridní sítě) a služeb, které mohou být jejich prostřednictvím poskytovány. Literatura: [1] http://www.sdrforum.org [2] Tuttlebee, W.: Software Defined Radio - Enabling Technologies. 1. vyd. New York, J. Wiley&Sons, 2002 [3] J. Mitola III and G. Maguire: „Cognitive Radio: making software radios more personal“, IEEE Pers. Commun. vol. 6, no. 4, pp. 13 -18, 1999 [4] FCC, ET Docket O3-237, NPRM, Nov. 2003 [5] http://www.fcc.gov/oet/cognitiveradio/ [6] Sharma. M, - Sahoo A.: Channel Selection under Interference Temperature Model. www.it.iitb.ac.in/~sahoo/papers/dyspan_2007.pdf [7] Chen, H.- Guizani, M.: Next Generation Wireless Systems and Networks. J.Wiley&Sons, Inc. New York 2006 [8] D. Čabrić, R. Brodersen: Physical Layer Design Issues Unique to Cognitive Radio Systems, 16th IEEE International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications, (PIMRC 2005), September 1114, 2005 [9] Clancy. T, - Arbaugh W. A.: Measuring Interference Temperature. www.cs.umd.edu/~clancy/docs/itma-vt06.pdf [10] Dobeš, J. - Žalud, V.: Moderní radiotechnika. 1. vydání, BEN - vyd. technické literatury, Praha 2006 [11] IEEE Wireless Communications, August 2007, No. 4 [12] IEEE Circuits and Systems Magazine, 1Q/2006, s.29-37
25
