Когнитивті радио жуйе

Когнитивті радио мен  желілер есептеуіш интеллектуалды технологиялардың аса жоғары сапалы, тиімді қосымшалары ретінде дамуда. Идеалды когнитивті радионың мақсаты, ол радио-қолдаушы ақпараттық қызметтерді  белгілі бір тұтынушының белгілі  қалауларына ыңғайластыру.

Когнитивті радио жасанды  интеллект пен радиобайланысты  біріктіреді. Бұл көпсалалы, дәстүрлі байланыс пен радио-электрлік жобаларды, информатикалық түсініктерді біріктіретін бағыт [1].

 Когнитивті радионың шамамен алынған сәулеті 2.1 суретте көрсетілген. Мұнда, когнитивті радионың интеллектуалды орталығы Когнитивті механизмде орналасқан.  Когнитивті механизм - оңайлатылған ашық жүйелі қосылу түрінде пайда болатын байланыс жүйесін реконфигурациялау үшін қажетті - модельдеу, зерттеу және оңтайландыру процесстерін орындайды. Когнитивті механизм ақпаратты тікелей пайдаланушы доменінен, радио доменінен, саясат доменінен және радио арнадан алады. Пайдаланушы домені пайдаланушының қосымшасына байланысты және желілік қажеттіліктер туралы ақпаратты когнитивті механизмді оңтайландыру үшін жібереді. Радио доменінің ақпараты радио-жиіліктен және жүйенің өнімділігіне әсер ететін, таралу және интерференция көздері сияқты, экологиялық ақпараттан тұрады [4].

Саясат механизмі саясат доменінен саясатқа байланысты ақпаратты  алады. Бұл ақпарат когнитивті радиоға мүмкін болатын және заңды шешімді қабылдауға көмектеседі және орнатылған ережелерге қайшы келетін шешімдерді қабылдауға тиым салады.

Осы сәулеттегі когнитивті механизм OSI протоколдарының күйін байқап, ағымдағы ортаның ерекшеліктеріне негізделіп, оңтайландырылған шешімдер қабылдайды. Саясат механизмі аппараттық құралдардың оңтайландырылған шешімді желілік және реттеуші басқарулар сияқты қабылдай алуы-алмауын анықтайды [4].

 

 

Сурет 2.1. Когнитивті радионың әмбебаб сәулеті.

2.1Спектрді басқару мүмкіндігі

 

Спектрді реттеушілердің когнитивті радио технологиясына тікелей  қызығушылық көрсету себебі, ол осы технологияның ұсынатын негізгі мүмкіншіліктеріне және әдістемелеріне деген қызығушылық. Бұл жаңа мүмкіншіліктер бір мақсатқа үлкен географиялық аумақтарға (кейде бірнеше мемлекеттер аумағына) фиксирленген жиіліктерді бекіту өте тиімсіз екенін мойындайды. Бүгінгі таңда жиілікті осы түрде үлестіру спектрлік ресурстарды өте тиімсіз пайдалануға әкеп соғады. Құрама Штаттарындағы Байланыс бойынша федералды комиссия (FCC) және Телекоммуникациялар мен ақпарат бойынша Ұлттық әкімшілік (NTIA), сонымен қоса, басқа мемлекеттердегі реттеуші органдардың қарастырылатын басты мәселесі спектрді тиімді пайдалануды қамтамасыз ететін жаңа инновациялық технологияны жобалау [1].

Бұл қызығушылық спектрдің қолжетімін басқаруға арналған жаңа әдістерді  жобалауға әкелді. Бұл әдіс бойынша  таратып-қабылдағыштың реттеуішін әрбір қосымшаны, қуаттың әрбір  деңгейін, антеннаның биіктігін, толқын пішінінің жобасын жеке басқарып отыру қажеттігінен босату. Шынымен, басқа желілермен әрекеттескендегі интерференцияны төмендету мақсаты  және басқа да мақсаттарды когнитивті радио арқылы автоматтандыруға болады. Когнитивті радио арқылы реттеуіш тарату саясатын бұдан да жоғары деңгейде атқара алады. Сонымен қатар, құрал-жабдықтар мен инфрақұрылым қолжетімді жиілік, қорек көзі, толқын пішіні, географиясы және жабдық мүмкіншіліктері сияқты қойылған белгілі тәжірибелік шектік шарттарды қанағаттандырады деп күтуге болады. Сөйтіп, радио мақсатқа жетуде кез-келген протоколды және құралды қолдана алады.

Құрама Штаттарында  FCC спектрді қолдануға арналған лицензиялары бар заңды тұлғалармен кездесу өткізді. Лицензия ұстаушылардың қатарында белгілі спектрді мемлекеттік қауіпсіздік мақсатында сақтайтын тұлғалар, және басқа да AM, FM радио хабарын кең беруші таралуында және теледидарлама сияқты мақсаттарда ұстайтын заңды тұлғалар бар. Кейбір тұлғалар белгілі коммерциялық телекоммуникациялық мақсаттарда қолдану үшін спектрді сатып алған, кейбір тұлғалар өнеркәсіптік мақсаттарда сатып алған.

Біреуден көп мақсаттарға  арналып бөлінген жиіліктер көп. Осының мысалы ретінде – гараж  есіктерін жасайтын компанияға дистанциялық басқаруға бөлінген жиілік. Автомобиль есіктерін блоктайтын компаниялар  осы дистанциялық басқару жиілігін қолданып түрлі тауарларды жобалап, шығарады. Осыдан басқа, NTIA өнеркәсіптер үшін анықтап бөлген жиіліктер мен қолданылатын толқын пішіндері бар. Бұған қоса, спектрдің еркін қала тұрғындары қолданатын және лицензияланбайтын блоктары бар. Бұл жиіліктерде мақсаттар бір-бірін көптеген пайдаланушылар, сигнал жиіліктері арасында өшуге ұшыратады.

Лицензияланбайтын спектрді басқару  туралы толық тоқталып өтейік. 2,4 ГГц және 5 ГГц жиіліктері сымсыз компьютерлік желілердің жұмысына қолданылады. Бұл жиіліктік белдеулер өнеркәсіптік, ғылыми және медициналық (ISM) жиіліктер деп белгілі. Микротолқынды пештердің энергиясы 2.4 ГГц жиілікте жүреді. Демек, бұл топты нақты бір мәселені шешу мақсатында лицензиялау өте тиімсіз, себебі, бұл белдеуде кедергілер мен бөгеуілдер кең таралған. Дегенмен, WiFi (802.11) және Bluetooth қосымшалары бір-бірімен және осы белдеуде табылатын көптеген толқындардың интерференциялық пішіндерімен қатар жұмыс істеуге арнайы жобаланған. Жабдықтардың көптеген түрлері бос тұрған жиіліктер мен уақыт интервалдарын анықтау үшін арналған протоколдарды қолданады, және іздеуді қажетті арна табылғанша дейін қайталайды. Бұндай тарату кезінде жиіліктің аса жүктелуіне қарамастан мәліметтер дестелері дұрыс, кедергісіз қабылданады. Дегенмен, осы жиіліктерде жұмыс істейтін радиобайланыс жабдықтары мен қосымшалары лицензияланбаған болуы мүмкін, бірақ, белгілі барлық кедергілерді ескере отырып жұмыс атқару керек және басқа қосымшалардың жұмысына кедергі жасамау керек.

802.11 технологиясының толқын пішіндері микротолқынды пештерден болатын интерференцияны болдырмауға өте тиімді, себебі, әрбір дестенің ұзақтығы қысқа болғандықтан, ол өте тез беріледі және интерференция шамасы білінбейді. Bluetooth толқыны да дестені өте қысқа уақыт аралығында жіберуге есептелген, сондықтан, пайда болған қателіктер қателерді коррекциялауға арналған кодтармен дұрысталады.

5 ГГц және 2.4 ГГц жиіліктердегі белдеулерді реттеу: белгілі тасушы жиіліктерді орнату, қуат деңгейін анықтау сияқты параметрлерді анықтап, осылайша спектрдің шектері орнатылады. Мысалы, сымсыз желінің құрылғыларының көбі үшін ең үлкен орнатылған қуат деңгейі 1 ватты немесе одан да төмен көрсеткішті құрады.

Осы белдеулерге байланысты әрбір мемлекет өзінің спектрлік  және амплитудалық мәндерін өзі анықтайды. Жапония мен Еуропа елдерінің  бұл ережелері АҚШ ережелерінен ерекшеленеді. Сондықтан, өндірушілер  келесі ережелердің біреуін таңдай алады:

-әрбір жабдықтың үш  түрін өндіріп, шығару;

-тек бір түрін өндіру, бірақ қосымша ауыстырып-қосқыш орнату, ол жабдықты қай мемлекетке сатса, сондай ережелерге ауыстырады;

-әмбебаб, барлық аймақтардың  ережелеріне сай келетін жабдықты  өндіру;

-өзінің орналасқан  жеріне байланысты ережелерді  өз бетімен ауыстырып-қосатын  жабдықты өңдеп шығару.

Соңғы әдіс когнитивті қосымшалардың  қасиеттерін сипаттайды [1].

Жаңа технологиялар саясат пен  сауда әлемдеріне ықпал жасайды.  Әсіресе инновациялық  технологиялардың алатын орны ерекше.  Когнитивті радио технологиясының радиоқұрылғылар мен қызметтер нарығындағы болашағы зор. Оның басты алғышарты радиоспектрді басқару мүмкіндігі болып табылады.  Ол болашақ пайдаланушылардың санын арттыратын ең жауапты шарты. Өткізу қабілеті шамадан тыс жоғары деңгейде, ол артықшылығын жоғарылату үшін немесе пайдасын арттыру үшін қажет. Сонымен, радиожиілік, спектрдің қолжетімдігі және интерференцияны басқару спектрді басқарудағы басты орынды иеленеді.

Құрылғының орта туралы білімі және осы ортадағы жұмыс қабілетін, желі өнімділігін арттыру үшін бейімделу мүмкіндігі, бақылау процессін автоматтандыруға алғышарт болады.  Бұл артықшылық спектрлік ресурсты қарқынды қолдануға мүмкіндік береді.

Келесі бөлімшеде когнитивті радионы  іске асырудың технологиялық механизмдерін  қарастырамыз [4].

 

 

2.2 Когнитивті радионы іске асырудың технологиялық механизмдері

 

Кеңжолақты қуат күшейткіштерін, синтезаторларды, аналогты-сандық түрлендіргіштерді  әзірлеу радионың жаңа классын жабдықтайды, ол өлшемдері бағдарланатын радио  және оның бағдарламалық қамтамасыз етілуі. Дегенмен, дайындаудың ерте кезеңдерінде бұл класстар артықшылықтарын  жариялауымен қатар, кейбір техникалық сәйкессіздіктер де орын табады. Когнитивті радио қамтамасыз ететін иілгіштік  көптеген радио-операцияларды ескереді. Бірақ, иілгіштік қасиеті бұрыс  бағыттарда қолдану жауапкершілігі және сертификаттау мәселелерін  шешпейді [5].

Өлшемдері бағдарланатын радио  көптеген модуляция әдістерін бағдарламалық  қамтамасыз етуді басқаруды, кеңжолақты және таржолақты жұмысты, қауіпсіз таралу функцияларын және толқын пішінінің  талаптарын қамтамасыз етеді. Жалпы  алғанда, құрамдас бөліктер сандық басқарылып отырады. SDR-дың айқын артықшылығы жалғыз жүйе көпқабатты конфигурациямен жұмыс атқарады, сонымен қатар, функционалды сәйкестікті, жүйелердің өзара әрекеттестігін, локалды талаптарды қанағаттандыру үшін толқын пішіндерінің бейімделуін қамтамасыз етеді. SDR технологиясы мен жүйелері алғашқы уақытта әскери күштерге арналып шығарылған. Сандық модульді радио (DMR) жүйесі SDR жүйелерінің алғашқы нұсқасы болып табылады. Ал когнитивті радио жаңа функцияларды қолданатын кейінгі нұсқасы. Когнитивті радиода жүзеге асқан төрт жаңа мүмкіндіктер спектрді динамикалық қолдануға жол ашады, ол иілгіштік, жеделдік, радиожиілікті табу және желілер.

Иілгіштік – толқын пішінін және құрылғының конфигурациясын өзгерту мүмкіндігі. Мысал ретінде – ұялы байланыс мұнарасы, ол осы жиіліктік жолақта телефония мақсаттарында жұмыс істейді. Бірақ оның толқын пішінін өзгертіп, сауда автоматтарының төмен қуатты жұмыстарының телеметриясын алу, немесе жүйелік жобалаушы сияқты басқа да қажетті мақсаттарда қолданыла алмайды. Дәл сол жиіліктік жолақ басқа да мақсаттарда қолданылады, ал радио-сипаттамалары мәліметтерді тарату жылдамдығы, диапазон, кідіру уақыты, қате дестелік деңгей сияқты түрлі талаптарды ашып көрсету қажет.

Жеделдік – құрылғы жұмыс  істейтін диапазонды өзгерту мүмкіндігі. Телефондарда жеделдіктің ең қарапайым  түрі бар, себебі олар екі немесе одан да көп жолақтарда жұмыс істейді (мысалы, 900 және 1900 МГц). Жеделдік пен иілгіштікті біріктіріп адаптивті радио үлгісін алуға болады, себебі радио түрлі жолақтарда толқынның түрлі пішіндерін қолдана алады. Дегенмен, заманауи технологиялар ұсынатын жеделдік пен иілгіштік үшін де белгілі техникалық шектер орнатылады. Олар басқару жүйесінің классикалық бақылау/басқару талартары деп аталады.

 Радиожиілікті табу – радионы қолданатын жүйенің күйін және қоршаған ортаны бақылау мүмкіндігі. Бұл динамиканы қосудағы келесі логикалық құрам бөлігі. Қоршаған ортада болып тұратын өзгерістерді тауып білу радионың өлшемдерді шапшаң түрде өзгертуге мүмкіндік береді. Бұл қасиеті орналасуға байланысы, күйіне, шарттарына немесе радиожиіліктік ортаға байланысты құрылғы жұмысын өзгерту керек болса өте тиімді.

Желілер – бірнеше торап арасында мәлімет алмасу және тораптардың арақатынасын жеңілдетіп, олардың потенциалын басқару мүмкіндігі. Бұндай желілер, атап айтқанда сымсыз желілер радиостанциялар арасында әрекеттестікті жеңілдетеді.  Бұл әрекеттестіктер қай жердегі ортаның күйі ең оңтайлы екенін білуге көмектеседі. Олар, сонымен қатар, жеке радио бойынша спектр ресурсын ең тиімді қолданылатын ортаны анықтауда тиімді болады.

Мұндай жаңа технологиялар мен  радио-класстар жүйелерді жобалаушыға  спектрді тиімді қолдануды ескеретін көптеген құралдарды ұсынады. Дегенмен, осы әрбір технологиялардың ішіндегі басты сипаттама ол жаңа талаптарға сай конфигурацияларды өз бетімен өзгерте алу. IEEE стандарттарының спектр қолжетімінің динамикалық желілері бойынша (SCC-41) координациялық комитеті когнитивті радионың анықтамаларын анықтады. Түрлі радио технологиялардың анықтамалары Халықаралық Телекоммуникациялық Бірлестігімен (ITU) бірігіп қаралды [5].

Ұсынылған анықтамалар келесідей:

Өлшемдері бағдарланатын радио. Жиіліктік  диапазон, модуляция түрі, ең үлкен  шығыс қуаты немесе құрылғының жұмыс  істеу жағдайы сияқты операциялық  параметрлерін өзгертетін ауыстырып-қосқышы  бар радио. Ауыстырып-қосқыш жабдықтық  құрам бөліктерінде өзгерістер еңгізбейді, өзгерістер тек бағдарламалық катамасыз  етуінде болады.

Когнитивті радио. Өзінің операциялық ортасы туралы білімі бар, динамикалық немесе автономды түрде өзінің радио операциялық параметрлерін өзгертуге бейімделген радио немесе жүйе.

 Саясатқа негізделген радио. Радио күйін анықталған ережелер қатары басқарады. Ережелерді радионың операциялық шектері анықтайды. Бұл ережелер келесі жағдайларда анықталып, орындалады:

-өндіру кезінде;

-пайдаланушы жабдықты  конфигурациялаған кезде [6].

 

 

3 Тапсырманың қойылуы 

 

Когнитивті радио келешегі үлкен инновациялық технология болып  саналады. Батыстың дамыған мемлекеттері бұл технологияны жан-жақты дамытуда. Байланыс бойынша федералды комиссия US (FCC) 2008 жылы екінші есебін шығарды. Есеп бойынша, теледидарламаға бөлінген және толығымен қолданылмаған радио-спектрді екіншілік қолданушы ретінде когнитивті радиоға беру қарастырылған. Сонымен қоса когнитивті радионың тағы бір артықшылығы ол спектрді тиімді пайдалану болып табылады. Бұл артықшылықты әскери күштер өте жоғары бағалайды.

Тек ойлап көріңіз, егер сіздің ұялы телефоныңыз, дербес сандық хатшыңыз, ноутбугіңіз немесе теледидарыңыз  танымал телехикаядағы О'Райлидің радары сияқты ақылды болса, сіздің күн тәртібіңізді жатқа білер еді. Сізге қажет нәрселерді сіз сұрамай-ақ тауып береді, сіздің қалауыңызды күтеді. Олар сізге адамдарды, нәрселерді, мүмкіндіктерді табуға, қажетті жұмыстарды уақытында аяқтауға көмектеседі. Сол сияқты радио ақылды болса, сымсыз компьютерлік желілердегі қызметтерді зерттеп, сол желілер қолдайтын протоколдар арқылы әрекеттеседі, сонда сіз дұрыс сымды табу, қосу жағын ойластырмайсыз, тек қосылысты орнатып керек жұмысты жасайсыз. Сонымен қоса, бұл технология керек жиілікті таңдап, жұмыс істеп тұрған радиобайланыс жүйелерімен интерференцияны болдырмау үшін қажет толқын ұзындығын таңдайды. Кез-келген жерде досыңыз болған сияқты, күнделікті өмірдегі өте ақылды көмекші. Когнитивті радио бүгінгі таңда әрбір адам қолданатын көптеген пейджерлердің, ұялы телефондардың және басқа да арнайы гаджеттердің жұмыстарын біріктіретін әмбебаб құрылғы болмақшы. Ендігі жылдарда олар бірігіп, аздаған адамдарға қолжетімді қызметтермен таңғалдырмақ.