Radio kognitywne sposobem na zatłoczone widmo radiowe

Rys. 1. Ilustracja zajętości widma w funkcji częstotliwości i czasu i wskazanie białych przestrzeni widma

Tytułowa nazwa rodzaju radia pochodzi bezpośrednio od odpowiedniego słowa angielskiego - "cognitive" (rozpoznający, poznawczy), ale łatwiej można się domyślić co się kryje pod tą nazwą, biorąc pod uwagę oryginalne wyrażenie łacińskie cognitio, które oznacza wg słownika: poznanie, oględziny, śledzenie, rozpoznanie.

Od strony technicznej kognitywne radio CR reprezentuje inteligentny nadajnik/odbiornik (transceiver), który w zaprogramowany sposób może rozpoznawać w czasie rzeczywistym stopień wykorzystania kanałów przesyłowych (komunikacyjnych) o różnych częstotliwościach i wybierać te, które mogą zapewnić najlepszą jakość połączenia.

Można też powiedzieć, że radio kognitywne tworzą urządzenia i sieci radiowe, mające zdolność rozpoznawania parametrów otaczającego środowiska radiowego oraz automatycznego dostosowywania do nich swoich własnych charakterystyk, a szczególnie częstotliwości pracy, w celu uzyskania jak najlepszej jakości połączenia (QoS - Quality of Service). Jest to zatem dynamiczny, a przy tym autonomicznie realizowany, sposób dostępu do zasobów widma elektromagnetycznego.

Obserwacje i pomiary wykazały, że wykorzystanie widma częstotliwości do transmisji informacji drogą radiową jest nierównomierne i zróżnicowane - także w zależności od lokalizacji urządzeń nadawczo-odbiorczych. W dużej mierze wynika to z przydziału określonych częstotliwości różnym służbom radiowym, np. do celów radiodyfuzji lub radiokomunikacji ruchomej, przez zarządzających widmem w obrębie kraju i w skali międzynarodowej.

Służby pierwszej ważności - obdarzeni licencją użytkownicy widma (primary users), nie wykorzystują ich jednak zwykle w sposób ciągły albo nie we wszystkich lokalizacjach.

Stąd pojawia się określenie białych przestrzeni (lub obszarów) widma częstotliwości (white spaces lub spectrum holes), obejmujące takie nie w pełni wykorzystane zakresy częstotliwości, jak również kanały transmisyjne zwolnione wskutek zakończenia nadawania telewizji analogowej oraz wolne pasma częstotliwości, zarezerwowane wcześniej jako element ochronny przed możliwymi zakłóceniami (interferencjami) między sąsiednimi kanałami transmisyjnymi. Białe przestrzenie, usytuowane na płaszczyźnie czas-częstotliwość, pokazano na rysunku 1.

Na wstępie warto też wyjaśnić jeszcze jedno specyficzne określenie, związane z wykorzystaniem kognitywnych technologii radiowych. Jest to oportunistyczny dostęp do widma częstotliwości. Opportunus - wygodny, korzystny - oznacza sposób podejścia do jakiegoś zagadnienia, polegający na wykorzystywaniu istniejących sposobności lub inaczej - dostosowujący się do okoliczności.

W omawianym przypadku to podejście dotyczy rozpoznania i wykorzystania przez kognitywne radio nieużywanego w danym momencie zakresu widma lub dzielenia go (współużytkowania) z już istniejącymi użytkownikami. Nie może to jednak powodować zakłóceń w realizowanych przez nich połączeniach, a zatem musi się odbywać przy zachowaniu zasad kompatybilności. Aby temu sprostać, na bieżąco dokonuje się zmiany niektórych charakterystyk nadajnika sygnałów, takich jak częstotliwość, poziom mocy i rodzaj modulacji.

W dalszym ciągu artykułu omówiona zostanie bliżej zasada pracy radia kognitywnego i podane zostaną praktyczne przykłady jego zastosowania. W zakończeniu przedstawione będą informacje o pracach prowadzonych w tym temacie w kraju oraz zasygnalizowane będą w skrócie przewidywane kierunki rozwoju radia kognitywnego.

Zasada działania radia kognitywnego

Rys. 2. Schematy blokowe przedstawiające rozwój radia: od lewej - radio tradycyjne, radio programowalne SDR i radio kognitywne CR

Widmo elektromagnetyczne jako naturalny zasób jest ograniczone i skończone. Dotychczasowy "sztywny" sposób jego zagospodarowania z przyznawaniem licencji do użytkowania określonych pasm częstotliwości dla użytkowników pierwszej ważności i dalsze arbitralne podziały nie zapewniały pożądanego dostępu do widma elektromagnetycznego.

Wobec burzliwego rozwoju komunikacji bezprzewodowej, w tym m.in. telefonii komórkowej i bezprzewodowego dostępu do Internetu, poszukiwane były inne, bardziej elastyczne rozwiązania organizacyjne i techniczne, dotyczące dostępu do tego widma. Dość oczywiste stało się zastosowanie w tym celu komputera.

Uzyskane w ten sposób rozwiązanie nosi nazwę radia programowalnego SDR (Software Defined Radio, a więc w bardziej dosłownym tłumaczeniu - radia określonego lub zdefiniowanego programowo). W radiu programowalnym większość funkcji tworzących warstwę fizyczną takiego urządzenia jest realizowana przez odpowiednie oprogramowanie.

Przykładowo, takie operacje jak filtracja, mieszanie sygnałów, modulacja, demodulacja i detekcja nie są przeprowadzane za pomocą układów scalonych lub specjalizowanych złożonych podzespołów (bloków funkcjonalnych), lecz są wykonywane programowo. Dalszy krok na tej samej drodze ewolucji urządzeń i sieci radiowej, wymuszanej przez rozwój łączności bezprzewodowej i związane z tym trudności z dostępem do widma elektromagnetycznego - stanowi radio kognitywne CR.

Trzeba co prawda wspomnieć, że radio kognitywne może być także skonstruowane przy wykorzystaniu wyłącznie rozwiązań sprzętowych. Jednak za lepsze pod względem efektywności, elastyczności oraz kosztów uznać należy programową realizację szeregu etapów obróbki sygnałów w nadajnikach/odbiornikach komunikacyjnych.

Takie właśnie podejście występuje najczęściej zarówno w przypadku radia programowalnego SDR, jak i radia kognitywnego CR. Jeśli chodzi o radio kognitywne, to idea tego systemu komunikacyjnego przedstawiona została stosunkowo niedawno, bo najpierw w publikacji Josepha Mitoli III z 1999 roku (gdzie występował on jako współautor), a następnie w 2000 roku w jego rozprawie doktorskiej w Royal Institute of Sweden.

Rys. 3. Uproszczony cykl kognitywny w radiu CR

Na rysunku 2 charakterystyczna właściwość radia CR, jaką jest zdolność do zachowań poznawczych w odniesieniu do otaczającego środowiska radiowego, została przedstawiona zbiorczo jako jeden dodatkowy moduł funkcjonalny. Wymienione zostały kolejne fazy, wyróżniane zwykle w pełnym cyklu poznawczym (cyklu kognitywnym).

Są to: obserwacja, orientacja, planowanie, uczenie się, podejmowanie decyzji i działanie. Obserwacja związana jest z częścią odbiorczą systemu radiowego (odbiornikiem). To rozpoznawanie czy "wyczuwanie" widma (sensing), polegające na wychwytywaniu sygnałów z otaczającego środowiska oraz ich rozpoznawaniu i rejestrowaniu, jest zadaniem bardzo istotnym dla poprawnej i efektywnej pracy sytemu radia kognitywnego.

Wyniki z rozpoznania uzupełnia się jeszcze przygotowanymi na ogół wcześniej informacjami o warunkach środowiskowych i wynikających z lokalizacji sytemu radiowego (bazy geolokalizacyjne). Następne fazy cyklu poznawczego, w tym orientacja, planowanie i uczenie się, w decydującym stopniu zależą od rodzaju i sposobu wyposażenia urządzenia radiowego (nadajnika/odbiornika) w sztuczną inteligencję - w postaci odpowiednich algorytmów.

Otrzymane wyniki analizy zebranych z odbioru i zestawionych danych służą następnie do podjęcia określonych decyzji, które, z kolei, są podstawą do przeprowadzenia stosownych działań zmierzających do rozpoczęcia transmisji. Działania takie polegają na wybraniu odpowiednich parametrów nadajnika takich jak pasmo częstotliwości, moc promieniowania, wysokość nadajnika i rodzaj transmisji.

W uproszczeniu cykl kognitywny pokazany został na rysunku 3. Niezależnie od mniej lub bardziej rozbudowanego sposobu przedstawienia, cykl kognitywny traktować należy jako logiczny ciąg powtarzanych zdarzeń rozpoczynających się rozpoznaniem środowiska radiowego i prowadzącym przez etapy analizy uzyskanych informacji do ich wykorzystania w formie przeprowadzenia adekwatnych działań przez funkcjonujące urządzenia radiowe. Powiązanie procesów poznawczych i tworzenia wiedzy oraz procesów podejmowania decyzji i działania prowadzi do koncepcji silnika kognitywnego (cognitive engine).

W celu podkreślenia, że w urządzeniu radiowym wykorzystywana jest właściwość zdobywania wiedzy (uczenia maszynowego), używa się nazwy radio inteligentne. Z kolei, możliwości rekonfiguracji i modyfikacji roboczych parametrów urządzenia radiowego są wyróżniane w jego nazwie jako radio adaptacyjne. Porównując systemy komunikacyjne, określane jako radio adaptacyjne i radio kognitywne, można dojść do wniosku, że są to systemy podobne pod względem charakterystyk technicznych.

Zastosowania

Ogólnie rzecz biorąc, można wymienić trzy zróżnicowane obszary zastosowań radia kognitywnego w komunikacji bezprzewodowej. Obejmują one sieci radiowe związane z bezpieczeństwem publicznym, z zastosowaniami wojskowymi oraz z potrzebami powszechnego użytku. W pierwszych dwóch obszarach zastosowań ze zrozumiałych względów trudno jest przewidzieć z góry warunki środowiskowe.

Podnosi to praktycznie zalety radia CR, polegające na dynamicznym dostępie do widma, jego zdolnościach adaptacyjnych i podejmowaniu autonomicznych decyzji. Właściwości te mogą być tym cenniejsze w zastosowaniach wojskowych, gdzie występuje zagłuszanie sygnałów i ich wzajemne zakłócenia. Jeśli chodzi o potrzeby powszechnego użytku, to są one, na ogół, dość zróżnicowane, ale ich obsługa przebiega w stosunkowo ustabilizowanych warunkach. W większości przypadków istotna jest tutaj jakość połączenia QoS.

W pracach nad zastosowaniem radia kognitywnego zwraca się obecnie znaczną uwagę na pasma częstotliwości IV i V zakresu telewizyjnego 470-700 MHz. Poza telewizją naziemną w pasmach tych funkcjonują także radio-mikrofony, urządzenia radioastronomiczne i lotnicze systemy radionawigacyjne. Zasięg fal emitowanych w poszczególnych kanałach telewizyjnych pozwala stosunkowo łatwo uzyskać ich separację przestrzenną.

Urządzenia i systemy pracujące w białych przestrzeniach w pasmach telewizyjnych określa się skrótowo jako urządzenia WSD (white space devices). Wymagania, jakie powinny spełniać takie urządzenia, zostały już znormalizowane i występują m.in. w europejskiej normie opracowanej w 2014 roku.

Sieci komórkowe

Poza podstawowymi formami aktywności w sieciach komórkowych związanymi z połączeniami telefonicznymi, rozwijane są obecnie i inne formy i usługi takie, jak wysyłanie e-maili, przeszukiwanie Internetu, przesyłanie informacji multimedialnych, tworzenie sieci socjalnych, wykorzystanie smartfonów itd. Taki rozwój wymaga zwiększonego dostępu do widma elektromagnetycznego i efektywnych sposobów dostępu.

Trudne sytuacje mogą zwłaszcza wystąpić w przypadku nagromadzenia dużej liczby użytkowników sieci komórkowych w otwartych punktach dostępu hot-spot jak np. na stadionie sportowym lub też w rejonach o słabym zasięgu np. w obszarach wiejskich o rzadkiej zabudowie i przy specyficznym ukształtowaniu terenu. W takich właśnie przypadkach jakość usługi może być ulepszona przez zastosowanie radia kognitywnego.

Sieci smart grid

Inteligentne sieci energetyczne (smart grid) integrują działania w zakresie generowania, przesyłania, dystrybucji i użytkowania energii elektrycznej. Istotne znaczenie dla prawidłowego działania takich sieci ma jej wyposażenie w rozbudowane środki łączności o hierarchizowano-zadaniowej strukturze, najlepiej przy wykorzystaniu radia kognitywnego.

Taka łączność umożliwia m.in. integrację rozproszonych źródeł energii (jak np. paneli słonecznych), zdalne odczytywanie liczników, sterowanie procesami przesyłu i dystrybucji energii itp. Na najniższym stopniu wyróżnia się sieć obejmującą obszary z budynkami (stąd skrótowa nazwa HAN od home area network), inteligentne mierniki, rozproszone alternatywne źródła energii i stacje ładowania samochodów elektrycznych.

Wyżej plasuje się sieć terenowa FAN (field area network), a najwyżej sieć rozległa WAN (wide area network), łącząca cały system - poczynając od jego wejścia a na odbiorcach energii kończąc.

Pierwszy w Polsce i jeden z pierwszych w Europie projekt zastosowania inteligentnych rozwiązań systemu elektroenergetycznego wprowadza na Półwyspie Helskim firma Energa (Energa-Operator) wraz z Instytutem Energetyki w Gdańsku. Charakterystyczną cechą poboru energii w tym rejonie jest jej duże zapotrzebowanie latem, a znacznie niższe zimą. Podejmuje się również zamiar stworzenia inteligentnej sieci energetycznej na Pomorzu.

Sieci związane z bezpieczeństwem publicznym

Łączność bezprzewodowa jest intensywnie wykorzystywana przez służby odpowiedzialne za bezpieczeństwo publiczne takie jak policja i inne służby porządkowe, straż pożarna, pogotowie ratunkowe, służby drogowe itd. Posiadane przez nie coraz bardziej złożone wyposażenie techniczne wymaga dostępu do widma, często szerokopasmowego. Radio kognitywne może zapewnić taki dostęp w przydzielonych wcześniej licencjonowanych pasmach oraz w dodatkowych zakresach częstotliwości, a także umożliwić współpracę różnych systemów radiowych, stosowanych przez różne służby.

Zastosowania wojskowe

Rys. 4. Przykład struktury taktycznej sieci komunikacyjnej

Bezprzewodowa łączność na wielkich częstotliwościach obejmuje obsługę różnorodnych obszarów aktywności, począwszy, przykładowo, od systemów śledzących z czujnikami (sensorowych), a kończąc na wielu rodzajach komunikacji bezpośredniej. Komunikowanie się można uznać za podstawę kierowania i dowodzenia w taktyce wojskowej.

Oczywistym wymaganiem w zastosowaniu wojskowym jest zapewnienie bezpieczeństwa przesyłanych danych i informacji multimedialnych. Jedną z metod jest utajnianie (kodowanie) informacji, wprowadzane w różnych warstwach systemu komunikacji. Natomiast próby ukrycia transmisji wymagają, aby przebiegała ona w krótkim czasie i na niskich poziomach mocy oraz przy zastosowaniu techniki rozproszonego widma i z przeskokami częstotliwości sygnału (hopping).

Sterowanie anteną kierunkową pozwala zminimalizować poziom sygnału emitowanego w kierunku nieprzyjaciela. Większość z tych wymagań może być spełniona, jeśli systemy radiowe mieć będą charakter radia kognitywnego, pozwalającego wybrać rodzaj transmisji

i na bieżąco korygować jej warunki. Przykład taktycznej sieci komunikacyjnej na polu walki pokazany został na rysunku 4 (na podstawie publikowanych rozwiązań, dostępnych w Internecie). Należy zwrócić uwagę na potrzebę mobilności wojskowych środków łączności bezprzewodowej. Taką cechą charakteryzują się mobilne sieci doraźne (ad hoc) typu MANET (Mobile Ad-hoc NETwork), z mobilnymi węzłami łączności, zestawianymi arbitralnie w pożądane tymczasowe struktury topologiczne.

Przykład transceivera CR Rys. 5. Schemat blokowy układu LMS7002M Do realizacji radia kognitywnego wymagane są specjalne układy nadawczo-odbiorcze typu FPRF (Field Programmable Radio Frequency), które w technice radiowej są odpowiednikiem układów FPGA. Ponieważ są one dostępne dopiero od niedawna, technika CR wciąż jest w fazie badawczo-rozwojowej. Przykładem układu FPRF jest LMS7002M firmy Lime Microsystems. Jest to w pełni zintegrowany, wielopasmowy, programowalny transceiver, zbudowany m.in. z następujących bloków: LNA (Low Noise Amplifiers), TXPAD (TX Power Amplifier Drivers), mieszaczy, filtrów, syntezerów, układów regulacji czułości i wzmocnienia oraz przetworników A/C i C/A. Został on zaprojektowany w taki sposób, by do minimum ograniczyć liczbę wymaganych komponentów zewnętrznych. Na rysunku 5 przedstawiono blokowy schemat układu LMS7002M. Można na nim wyróżnić dwa tory nadawcze oraz dwa tory odbiorcze typu zero IF (Intermediate Frequency). To podwojenie ułatwia realizację transmisji wieloantenowej po stronie nadawczej i odbiorczej, tj. w układzie MIMO (Multiple Input Multiple Output). Jej główne zalety to: zwiększenie zysku dywersyfikacji, a przez to polepszenie niezawodności łącza, poprawa stosunku sygnału do szumu i przepustowości łącza. Oba nadajniki i oba odbiorniki korzystają ze wspólnego źródła sygnału PLL. Tor nadawczy i tor odbiorczy w FPRF Sygnały cyfrowe docierają do LMS7002M przez interfejs LimeLight Digital IQ Interface. Dalej są one wstępnie przetwarzane w bloku TSP (Transceiver Signal Processor), a potem w przetwornikach cyfrowo-analogowych. Analogowe sygnały kwadraturowe IQ z ich wyjścia są następnie poddawane obróbce w części analogowej/radiowej układu. Pierwszym jej blokiem jest filtr TXLPF (Transmit Low Pass Filter), a kolejnym - mieszacz. Zmodulowany sygnał jest dalej wzmacniany. Stopień wzmocnienia jest programowalny. W torze odbiorczym wyróżnić można trzy niezależne wejścia ze wzmacniaczami LNA dla różnych zakresów częstotliwości (RXLNAL: 0,1 MHz - 2 GHz, RXLNAH oraz RXLNAW: 0,1 MHz - 3,8 GHz) o programowalnym wzmocnieniu. Sygnał z ich wyjścia jest demodulowany. Kolejne bloki to wzmacniacz transimpedancyjny (RXTIA), programowalny filtr dolnoprzepustowy (RXLPF) oraz programowalny wzmacniacz (RXPGA). Analogowe sygnały kwadraturowe IQ są przetwarzane do postaci cyfrowej w przetworniku A/C. Dalej poddaje się je wstępnej obróbce w bloku TSP. Rola bloku TSP Blok TSP realizuje zaawansowane funkcje przetwarzania sygnałów cyfrowych. Jego częścią jest zatem m.in. blok interpolacji i zestaw filtrów FIR (Finite Impulse Response) o programowalnych współczynnikach. Po stronie nadawczej filtry te mogą m.in. realizować korekcję fazy, która jest wymagana w niektórych standardach łączności, na przykład w CDMA2000 albo korygować charakterystykę amplitudową filtru TXLPF lub minimalizować zmienność jego opóźnienia grupowego. Po stronie odbiorczej filtry FIR pełnią podobne funkcje. Istnieje też możliwość pominięcia części układu LMS7002M składającej się z przetwornika A/C i bloku TSP. Wówczas sygnał analogowy będzie dostępny bezpośrednio na wyjściach RXOUTI i RXOUTQ. Rozwiązanie to jest przydatne, jeżeli do obróbki sygnału trzeba użyć zewnętrznych komponentów o większych możliwościach. Analogicznie, po wyłączeniu części LMS7002M złożonej z przetwornika C/A i bloku TSP, sygnał analogowy będzie dostępny z wyjść TXINI i TXINQ.

Sieci medyczne

Bezprzewodowe sieci medyczne MBAN (Medical Body Area Network) są obecnie wdrażane w szpitalach do monitorowania stanu zdrowia i aktualnej kondycji pacjentów - na podstawie grupy istotnych dla życia parametrów takich jak temperatura ciała, ciśnienie, utlenowienie krwi, tętno itp. Pozbycie się przewodów łączących z monitorem czujniki kontrolujące te parametry ma bardzo dużo zalet, jak możliwość wcześniejszej i szybszej diagnozy, mobilność i komfort pacjenta, na ogół niższe koszty pobytu pacjenta w szpitalu i inne.

Ze względu na znaczną liczbę użytkowników pasma 2,4 GHz, przeznaczonego ogólnie dla urządzeń ISM (Industry, Scientific, Medical), w sieciach medycznych przewiduje się transmisję danych na częstotliwościach z zakresu 2360-2400 MHz. Opracowanie szczegółowych wymagań na projektowanie sieci medycznych i ich rozwiązania techniczne jest przedmiotem zaawansowanych działań normalizacyjnych w USA.

Przewidywane kierunki rozwoju

Idee i rozwiązania techniczne radia programowalnego i kognitywnego stanowią odpowiedź na bieżące potrzeby dotyczące sposobów i możliwości wykorzystania widma elektromagnetycznego do komunikacji bezprzewodowej. Dalszy rozwój wymaga rozwiązania szeregu kwestii organizacyjnych, prawnych i z zakresu ogólnie pojętej normalizacji w skali międzynarodowej (IEEE, ITU-R, FCC, ETSI) i na terenie poszczególnych krajów. Natomiast od strony technicznej zadania przyszłościowe koncentrują się na opracowywaniu efektywnych algorytmów działania omawianych systemów radiowych, ich architekturze i rozszerzeniu zastosowania na nowe zakresy częstotliwości.

Jerzy F. Kołodziejski