Radio cognitiva - Cognitive radio

Una radio cognitiva ( CR ) es una radio que se puede programar y configurar dinámicamente para usar los mejores canales inalámbricos en su vecindad para evitar la interferencia y la congestión del usuario. Tal radio detecta automáticamente los canales disponibles en el espectro inalámbrico , luego cambia en consecuencia sus parámetros de transmisión o recepción para permitir más comunicaciones inalámbricas concurrentes en una banda de espectro dada en una ubicación. Este proceso es una forma de gestión dinámica del espectro .

Descripción

En respuesta a los comandos del operador, el motor cognitivo es capaz de configurar los parámetros del sistema de radio. Estos parámetros incluyen " forma de onda , protocolo, frecuencia de operación y redes". Funciona como una unidad autónoma en el entorno de las comunicaciones, intercambiando información sobre el entorno con las redes a las que accede y otras radios cognitivas (CR). Un CR "monitorea su propio desempeño continuamente", además de "leer las salidas de la radio"; luego utiliza esta información para "determinar el entorno de RF , las condiciones del canal, el rendimiento del enlace, etc." y ajusta la "configuración de la radio para ofrecer la calidad de servicio requerida sujeto a una combinación adecuada de requisitos de usuario, limitaciones operativas y restricciones reglamentarias" ".

Algunas propuestas de "radio inteligente" combinan una red de malla inalámbrica, cambiando dinámicamente la ruta que toman los mensajes entre dos nodos dados utilizando diversidad cooperativa ; radio cognitiva: cambio dinámico de la banda de frecuencia utilizada por los mensajes entre dos nodos consecutivos en la ruta; y radio definida por software: cambiando dinámicamente el protocolo utilizado por mensaje entre dos nodos consecutivos.

Historia

El concepto de radio cognitiva fue propuesto por primera vez por Joseph Mitola III en un seminario en el KTH Royal Institute of Technology en Estocolmo en 1998 y publicado en un artículo de Mitola y Gerald Q. Maguire, Jr. en 1999. Fue un enfoque novedoso en tecnología inalámbrica comunicaciones, que Mitola describió más tarde como:

El punto en el que los asistentes digitales personales (PDA) inalámbricos y las redes relacionadas son lo suficientemente inteligentes computacionalmente sobre los recursos de radio y las comunicaciones de computadora a computadora relacionadas para detectar las necesidades de comunicación del usuario en función del contexto de uso, y para proporcionar recursos de radio y servicios inalámbricos. más apropiado para esas necesidades.

La radio cognitiva se considera como un objetivo hacia el que debería evolucionar una plataforma de radio definida por software : un transceptor inalámbrico totalmente reconfigurable que adapta automáticamente sus parámetros de comunicación a las demandas de la red y del usuario.

Las estructuras reguladoras tradicionales se han construido para un modelo analógico y no están optimizadas para radio cognitiva. Los organismos reguladores del mundo (incluida la Comisión Federal de Comunicaciones en los Estados Unidos y la Ofcom en el Reino Unido), así como diferentes campañas de medición independientes, encontraron que la mayor parte del espectro de frecuencias de radio se utilizaba de manera ineficiente. Las bandas de la red celular están sobrecargadas en la mayor parte del mundo, pero otras bandas de frecuencia (como las frecuencias militares, de radioaficionados y de radiomensajería ) no se utilizan lo suficiente. Estudios independientes realizados en algunos países confirmaron esa observación y concluyeron que la utilización del espectro depende del tiempo y el lugar. Además, la asignación de espectro fijo evita que se utilicen frecuencias poco utilizadas (las asignadas a servicios específicos), incluso cuando los usuarios sin licencia no causarían una interferencia apreciable en el servicio asignado. Los organismos reguladores del mundo han estado considerando la posibilidad de permitir a los usuarios sin licencia en bandas con licencia si no causarían ninguna interferencia a los usuarios con licencia. Estas iniciativas han centrado la investigación de radio cognitiva en el acceso dinámico al espectro .

El primer estándar de red de área regional inalámbrica de radio cognitiva, IEEE 802.22 , fue desarrollado por el Comité de Estándares LAN / MAN de IEEE 802 (LMSC) y publicado en 2011. Este estándar utiliza geolocalización y detección de espectro para la conciencia espectral. La geolocalización se combina con una base de datos de transmisores con licencia en el área para identificar los canales disponibles para su uso por la red de radio cognitiva. La detección de espectro observa el espectro e identifica los canales ocupados. IEEE 802.22 fue diseñado para utilizar las frecuencias no utilizadas o fragmentos de tiempo en una ubicación. Este espacio en blanco son los canales de televisión no utilizados en las áreas geolocalizadas. Sin embargo, la radio cognitiva no puede ocupar el mismo espacio no utilizado todo el tiempo. A medida que cambia la disponibilidad del espectro, la red se adapta para evitar interferencias con las transmisiones con licencia.

Terminología

Dependiendo de los parámetros de transmisión y recepción, existen dos tipos principales de radio cognitiva:

  • Radio cognitiva completa (radio Mitola), en la que se consideran todos los posibles parámetros observables por un nodo (o red) inalámbrico.
  • Radio cognitiva sensible al espectro, en la que solo se considera el espectro de radiofrecuencia.

Otros tipos dependen de partes del espectro disponible para radio cognitiva:

  • Radio cognitiva de banda con licencia , capaz de utilizar bandas asignadas a usuarios con licencia (excepto bandas sin licencia, como la banda U-NII o la banda ISM ). El grupo de trabajo IEEE 802.22 está desarrollando un estándar para la red de área regional inalámbrica (WRAN), que operará en canales de televisión no utilizados, también conocidos como espacios en blanco de TV .
  • Radio cognitiva de banda sin licencia , que solo puede utilizar partes sin licencia del espectro de radiofrecuencia (RF). Uno de estos sistemas se describe en las especificaciones del Grupo de tareas 2 de IEEE 802.15 , que se centran en la coexistencia de IEEE 802.11 y Bluetooth .
  • Movilidad del espectro : Proceso por el cual un usuario de radio cognitivo cambia su frecuencia de operación. Las redes cognitivas de radio tienen como objetivo utilizar el espectro de manera dinámica al permitir que los terminales de radio operen en la mejor banda de frecuencia disponible, manteniendo los requisitos de comunicación sin interrupciones durante las transiciones hacia un mejor espectro.
  • Uso compartido del espectro : las redes de radio cognitiva que comparten el espectro permiten a los usuarios de radio cognitiva compartir las bandas del espectro de los usuarios de la banda con licencia. Sin embargo, los usuarios de radio cognitiva tienen que restringir su potencia de transmisión para que la interferencia causada a los usuarios de la banda con licencia se mantenga por debajo de un cierto umbral.
  • Uso compartido del espectro basado en detección: en las redes de radio cognitiva de uso compartido del espectro basado en detección, los usuarios de radio cognitiva escuchan primero el espectro asignado a los usuarios con licencia para detectar el estado de los usuarios con licencia. Según los resultados de la detección, los usuarios de radio cognitiva deciden sus estrategias de transmisión. Si los usuarios con licencia no están usando las bandas, los usuarios de radio cognitiva transmitirán sobre esas bandas. Si los usuarios con licencia están usando las bandas, los usuarios de radio cognitiva comparten las bandas del espectro con los usuarios con licencia restringiendo su potencia de transmisión.
  • Uso compartido de espectro con base de datos ,,: En esta modalidad de uso compartido del espectro, los usuarios de radio cognitiva deben acceder a una base de datos de espacios en blanco antes de que se les permita o deniegue el acceso al espectro compartido. La base de datos de espacios en blanco contiene algoritmos, modelos matemáticos y regulaciones locales para predecir la utilización del espectro en un área geográfica e inferir sobre el riesgo de interferencia que representa un usuario de radio cognitivo que accede al espectro compartido en los servicios establecidos. Si la base de datos de espacios en blanco juzga que se producirá una interferencia destructiva a los titulares, al usuario de radio cognitiva se le niega el acceso al espectro compartido.

Tecnología

Aunque inicialmente se pensó en la radio cognitiva como una extensión de radio definida por software (radio cognitiva completa), la mayor parte del trabajo de investigación se centra en la radio cognitiva sensible al espectro (particularmente en las bandas de televisión ). El principal problema de la radio cognitiva con detección de espectro es el diseño de algoritmos y dispositivos de detección de espectro de alta calidad para intercambiar datos de detección de espectro entre nodos. Se ha demostrado que un detector de energía simple no puede garantizar la detección precisa de la presencia de señales, lo que exige técnicas de detección de espectro más sofisticadas y requiere que se intercambie regularmente información sobre la detección de espectro entre nodos. Aumentar el número de nodos de detección que cooperan reduce la probabilidad de una detección falsa.

El llenado de bandas de RF libres de forma adaptativa, utilizando OFDMA , es un enfoque posible. Timo A. Weiss y Friedrich K. Jondral de la Universidad de Karlsruhe propusieron un sistema de agrupación de espectro , en el que las bandas libres (detectadas por los nodos) se llenaban inmediatamente con subbandas OFDMA . Las aplicaciones de la radio cognitiva con detección de espectro incluyen extensiones de distancia de transmisión y mayor rendimiento de redes de emergencia y WLAN . La evolución de la radio cognitiva hacia redes cognitivas está en marcha; el concepto de redes cognitivas es organizar inteligentemente una red de radios cognitivas.

Funciones

Las principales funciones de las radios cognitivas son:

  • Control de potencia : El control de potencia se utiliza generalmente para sistemas CR de uso compartido de espectro para maximizar la capacidad de los usuarios secundarios con restricciones de potencia de interferencia para proteger a los usuarios principales.
  • Detección Spectrum : La detección de espectro no utilizado y compartirlo, sin interferencia perjudicial a otros usuarios; Un requisito importante de la red de radio cognitiva es detectar el espectro vacío. La detección de usuarios principales es la forma más eficaz de detectar espectro vacío. Las técnicas de detección del espectro pueden agruparse en tres categorías:
    • Detección de transmisor : las radios cognitivas deben tener la capacidad de determinar si una señal de un transmisor primario está presente localmente en un determinado espectro. Hay varios enfoques propuestos para la detección de transmisores:
      • Detección de filtro coincidente
      • Detección de energía: la detección de energía es un método de detección de espectro que detecta la presencia / ausencia de una señal simplemente midiendo la potencia de la señal recibida. Este enfoque de detección de señales es bastante fácil y conveniente para la implementación práctica. Sin embargo, para implementar el detector de energía, se requiere información de variación de ruido. Se ha demostrado que un conocimiento imperfecto de la potencia del ruido (incertidumbre del ruido) puede conducir al fenómeno de la pared SNR , que es un nivel de SNR por debajo del cual el detector de energía no puede detectar de manera confiable ninguna señal transmitida, incluso aumentando el tiempo de observación. También se ha demostrado que la pared SNR no es causada por la presencia de una incertidumbre de ruido en sí misma, sino por un refinamiento insuficiente de la estimación de la potencia de ruido mientras aumenta el tiempo de observación.
      • Cicloestacionaria -feature detección: Este tipo de algoritmos de espectro de detección están motivados porque la mayoría de las señales de comunicación hechos por el hombre, tales como BPSK , QPSK , AM , OFDM , etc. exhiben un comportamiento cicloestacionaria. Sin embargo, las señales de ruido (típicamente ruido blanco ) no exhiben un comportamiento cicloestacionario. Estos detectores son robustos frente a la incertidumbre de la variación del ruido. El objetivo de estos detectores es aprovechar la naturaleza cicloestacionaria de las señales de comunicación artificiales enterradas en el ruido. Su principal parámetro de decisión es comparar los valores distintos de cero obtenidos por CSD de la señal primaria. Los detectores cicloestacionarios pueden ser ciclostatonarios de ciclo único o multiciclo.
  • Detección de espectro de banda ancha : se refiere a la detección de espectro en un gran ancho de banda espectral, generalmente cientos de MHz o incluso varios GHz. Dado que la tecnología ADC actual no puede permitirse la alta frecuencia de muestreo con alta resolución, requiere técnicas revolucionarias, por ejemplo, detección por compresión y muestreo sub-Nyquist.
    • Detección cooperativa : se refiere a métodos de detección de espectro en los que se incorpora información de múltiples usuarios de radio cognitiva para la detección del usuario principal.
    • Detección basada en interferencias
  • CR basado en espacio nulo : con la ayuda de múltiples antenas, CR detecta el espacio nulo del usuario principal y luego transmite dentro del espacio nulo, de modo que su transmisión subsiguiente causa menos interferencia al usuario principal
  • Gestión del espectro : captura del mejor espectro disponible para satisfacer los requisitos de comunicación de los usuarios, sin crear interferencias indebidas para otros usuarios (primarios). Las radios cognitivas deberían decidir cuál es la mejor banda de espectro (de todas las bandas disponibles) para satisfacer los requisitos de calidad de servicio ; por lo tanto, las funciones de gestión del espectro son necesarias para las radios cognitivas. Las funciones de gestión del espectro se clasifican en:
    • Análisis de espectro
    • Decisión de espectro

La implementación práctica de las funciones de gestión del espectro es una cuestión compleja y multifacética, ya que debe abordar una variedad de requisitos técnicos y legales. Un ejemplo de lo primero es elegir un umbral de detección apropiado para detectar a otros usuarios, mientras que el segundo se ejemplifica en la necesidad de cumplir con las reglas y regulaciones establecidas para el acceso al espectro de radio en la legislación internacional (regulaciones de radio de la UIT) y nacional (ley de telecomunicaciones). .

Antena inteligente (IA)

Una antena inteligente (o antena inteligente) es una tecnología de antena que utiliza la formación de haces espaciales y la codificación espacial para cancelar la interferencia; sin embargo, están surgiendo aplicaciones para la extensión a arreglos de antenas cooperativas o múltiples inteligentes para su aplicación en entornos de comunicación complejos. La radio cognitiva, en comparación, permite que los terminales de usuario detecten si una parte del espectro se está utilizando para compartir espectro con usuarios vecinos. La siguiente tabla compara los dos:

Punto Radio cognitiva (CR) Antena inteligente (IA)
Objetivo principal Compartición de espectro abierto Reutilización espacial ambiental
Procesamiento de interferencias Evitación por detección de espectro Cancelación por precodificación / poscodificación espacial
Costo clave Detección de espectro y RF multibanda Conjuntos de antenas múltiples o cooperativas
Algoritmo desafiante Tecnología de gestión del espectro Tecnología de codificación / formación de haces espacial inteligente
Técnicas aplicadas Radio de software cognitivo Codificación generalizada de papel sucio y codificación Wyner-Ziv
Enfoque del sótano Modulación ortogonal Celda más pequeña de base celular
Tecnología competitiva Banda ultraancha para una mayor utilización de la banda Multisectorización (3, 6, 9, etc.) para una mayor reutilización espacial
Resumen Tecnología cognitiva de intercambio de espectro Tecnología inteligente de reutilización de espectro

Tenga en cuenta que ambas técnicas se pueden combinar como se ilustra en muchos escenarios de transmisión contemporáneos.

Cooperative MIMO (CO-MIMO) combina ambas técnicas.

Aplicaciones

Cognitive Radio (CR) puede detectar su entorno y, sin la intervención del usuario, puede adaptarse a las necesidades de comunicación del usuario mientras cumple con las reglas de la FCC en los Estados Unidos. En teoría, la cantidad de espectro es infinita; prácticamente, por propagación y otras razones, es finito debido a la conveniencia de ciertas porciones del espectro. El espectro asignado está lejos de ser utilizado por completo, y el uso eficiente del espectro es una preocupación creciente; CR ofrece una solución a este problema. Un CR puede detectar inteligentemente si alguna porción del espectro está en uso y puede usarlo temporalmente sin interferir con las transmisiones de otros usuarios. Según Bruce Fette, "Algunas de las otras capacidades cognitivas de la radio incluyen determinar su ubicación, detectar el uso del espectro por parte de los dispositivos vecinos, cambiar la frecuencia, ajustar la potencia de salida o incluso alterar los parámetros y características de transmisión. Todas estas capacidades, y otras aún por realizar , brindará a los usuarios del espectro inalámbrico la capacidad de adaptarse a las condiciones del espectro en tiempo real, ofreciendo a los reguladores, licencias y al público en general un uso flexible, eficiente y completo del espectro ".

Ejemplos de aplicaciones incluyen:

  • La aplicación de redes CR a comunicaciones de emergencia y seguridad pública mediante la utilización de espacios en blanco.
  • El potencial de las redes CR para ejecutar el acceso dinámico al espectro (DSA)
  • Aplicación de redes CR a acciones militares tales como detección e investigación de ataques químicos, biológicos, radiológicos y nucleares, control de mando, obtención de información de evaluaciones de daños en batalla, vigilancia en el campo de batalla, asistencia de inteligencia y objetivos.
  • También se ha demostrado que son útiles para establecer redes de áreas corporales médicas que se pueden utilizar en el monitoreo omnipresente del paciente que ayuda a notificar inmediatamente a los médicos sobre información vital de los pacientes, como el nivel de azúcar, la presión arterial, el oxígeno en sangre y el electrocardiograma (ECG), etc. Esto brinda la ventaja adicional de reducir el riesgo de infecciones y también aumenta la movilidad del paciente.
  • La radio cognitiva también es práctica para las redes de sensores inalámbricos, donde la retransmisión de paquetes puede tener lugar utilizando colas primarias y secundarias para reenviar paquetes sin demoras y con un consumo de energía mínimo.

Simulación de redes CR

En la actualidad, el modelado y la simulación es el único paradigma que permite la simulación de comportamientos complejos en las redes de radio cognitivas de un entorno determinado. Los simuladores de red como OPNET , NetSim , MATLAB y ns2 se pueden utilizar para simular una red de radio cognitiva. CogNS es un marco de simulación de código abierto basado en NS2 para redes de radio cognitivas. Las áreas de investigación que utilizan simuladores de red incluyen:

  1. Detección de espectro y detección de titulares
  2. Asignación de espectro
  3. Medición y / o modelización del uso del espectro
  4. Eficiencia de la utilización del espectro

Network Simulator 3 (ns-3) también es una opción viable para simular CR. ns-3 también se puede utilizar para emular y experimentar redes CR con la ayuda de hardware básico como los dispositivos WiFi Atheros.

Planes futuros

El éxito de la banda sin licencia para acomodar una variedad de dispositivos y servicios inalámbricos ha llevado a la FCC a considerar la posibilidad de abrir más bandas para uso sin licencia. Por el contrario, las bandas con licencia están infrautilizadas debido a la asignación de frecuencias estáticas. Al darse cuenta de que la tecnología CR tiene el potencial de explotar las bandas licenciadas utilizadas de manera ineficiente sin causar interferencia a los usuarios titulares, la FCC publicó un Aviso de creación de reglas propuestas que permitiría que las radios sin licencia operaran en las bandas de transmisión de televisión. El grupo de trabajo IEEE 802.22 , formado en noviembre de 2004, tiene la tarea de definir el estándar de interfaz aérea para redes inalámbricas de área regional (basadas en sensores CR) para la operación de dispositivos sin licencia en el espectro asignado al servicio de TV. Para cumplir con las regulaciones posteriores de la FCC sobre la utilización sin licencia del espectro de TV, IEEE 802.22 ha definido interfaces para la base de datos de espacios en blanco de TV obligatoria para evitar interferencias en los servicios establecidos.

Ver también

Referencias

enlaces externos