Когнитивные радиосистемы в сетях тактического назначения

В статье кратко описан принцип действия когнитивных радиосистем. Перечислены преимущества использования когнитивных функций в сетях тактического назначения. Приведены примеры практической реализации когнитивного радио.

Когнитивное радио позволяет увеличить эффективность использования спектра за счет передачи на незанятых в данный момент частотах. При этом не создается помех приоритетным пользователям. Согласно официальному определению ITU-R WP1B, когнитивное радиосистема – это радиосистема, в работе которой учитываются сведения об окружающей рабочей и географической средах, об установившихся правилах и ее внутреннем состоянии. В соответствии с этими сведениями системы в динамическом режиме автономно подстраивают параметры работы и протоколы передачи с тем, чтобы достичь поставленной цели и одновременно учиться на основании полученного опыта.

На рисунке 1 показан общий принцип функционирования когнитивного радио. Согласно определению, когнитивное радио производит сбор сведений и подстройку параметров в соответствии с ними. Это очень широкое определение, и оно нуждается в конкретизации, однако методы реализации функций когнитивного радио окончательно не разработаны.

Рис. 1. Когнитивный цикл
Information Processing – обработка информации; Learning&decisions – обучение и принятие решения; Execution – выполнение; Sensing&observing – сбор сведений, измерения; Policies & Regulations – правила

Сведения о спектре

Когнитивные радиосистемы собирают сведения об окружающей среде и учатся по ним, адаптируясь к изменениям в режиме реального времени. В большинстве случаев под информацией об окружающей среде понимается информация о доступном спектре, полученная с помощью измерения или из внешнего источника.

В активном режиме когнитивные радиосистемы «прощупывают» окружающую радиообстановку и адаптируют параметры передачи в соответствии с результатами измерений. Среди методов измерения спектра можно выделить детектирование энергии, детектирование параметров, детектирование согласованных фильтров и т.д. Из рисунка 2 видно, что качество обнаружения можно выразить как вероятность ложной тревоги или вероятность пропуска искомого параметра.

Рис. 2. Достоверность измерений
Probability – вероятность; No primary user present – нет приоритетного пользователя; Missed detection zone – область пропущенных обнаружений; Threshold – порог; False alarm zone – область ложных обнаружений; Primary user present – имеется приоритетный пользователь; Measured signal power – измеренная мощность сигнала

При анализе среды важно правильно установить порог. Если он слишком низкий, повышается вероятность ложного обнаружения. Если слишком высокий, то, наоборот, нежелательные источники не будут обнаружены, и интерференционный фон для приоритетного пользователя усугубится.

В пассивном режиме применяются такие методы как обмен информацией через базы данных или использование выхода на маяк, когда приоритетный пользователь отсылает радиомаяки, оповещающие о доступности определенных лицензируемых каналов для вторичного использования. Пассивный режим удобно применять в такой среде, где назначение спектра контролируется регулятором. В случае переменчивой среды информация в базе данных быстро теряет актуальность.

Для устройств военного назначения метод на основе базы данных не подходит.

Групповой анализ

В силу различных причин отдельный узел сети не может детектировать всех остальных пользователей на основе собственных измерений. Например, приоритетный пользователь может быть не виден отдельным узлам когнитивной радиосистемы из-за мгновенных плохих условий в канале. Достоверную информацию обеспечивает групповое, или совместное, измерение, когда результаты, полученные несколькими узлами, объединяются. Недостатком данного метода является увеличение объема служебной информации.

Обратимся к примеру, изображенному на рисунке 3. Узлы В, С и D отгорожены от приоритетной сети холмом, поэтому по одиночке они его не видят. Однако во время передачи они могут быть обнаружены приоритетным пользователем или создать помехи для него. При групповом анализе канала узлы А и Е идентифицировали бы присутствие приоритетной сети, и группа выбрала бы другой канал.

Рис. 3. Групповой сбор сведений
Secondary users – второстепенные пользователи; Primary network – приоритетная сеть

В военных системах информация о спектре не может быть основана на публичной базе данных, потому что информация о фиксированном назначении частот скрыта. Конечно, в случае необходимости базу данных использовать можно, однако информацию в ней необходимо постоянно обновлять.

Время отклика

Время отклика зависит от метода анализа спектра. Наиболее быстрый отклик обеспечивают активные методы сбора информации. Методы, основанные на детектировании излучения энергии, требуют, как правило, немного времени, однако не обеспечивают высокой надежности, особенно если сигнал от приоритетного абонента слабый.

Детекторы признаков (feature detectors) имеют меньшее отношение сигнал-шум, чем детектор излучения, поскольку в них используется информация, содержащаяся в принятом сигнале.

Эти методы можно комбинировать, чтобы обеспечить достаточную достоверность при допустимой скорости отклика.

Другие ресурсы

Когнитивное радио собирает сведения о времени, пространстве, энергии и других ресурсах. В соответствии с полученными данными принимается решение о выборе частот, момента времени и мощности сигнала передачи, о направленности антенны и маршруте передачи между узлами.

Следующая задача – организовать управление ресурсами в рамках когнитивной сети. Существуют два базовых метода: увеличение емкости сети в условиях интерференции и ослабление интерференции за счет уменьшения мощности передаваемого сигнала.

Метод увеличения емкости сети удобно применять в случаях, когда второстепенная сеть является главным объектом оптимизации. В гражданских приложениях более важно сохранять низкий уровень интерференции с приоритетной сетью. При использовании данного метода главной проблемой является отсутствие данных о точном расположении приоритетных приемников. Соответственно, невозможно производить оценку влияния своих передач на все потенциальные приемники.

Был предложен метод «температуры» интерференции. Результаты измерений собираются с нескольких фиксированных и мобильных узлов, по этим данным строится карта распределения мощности сигнала по большой территории. Этот метод пока не получил одобрения Федеральной комиссии по связи, поскольку не разработано эффективных методов измерения актуальной информации об интерференции.

Когнитивный процессор

Когнитивный процессор – это интеллектуальный агент, управляющий работой когнитивной радиосистемы, принимающий решения и вырабатывающий команды для достижения поставленной цели.

Когнитивный процессор отвечает за механизмы получения ресурсов и за их последующее использование. На основе алгоритмов искусственного интеллекта он справляется со своими задачами даже в тех случаях, когда модель системы недостаточно известна, или когда цель меняется. Эвристические методы обеспечивают наиболее эффективное решение в случаях, когда требования известны и модель системы описана точно.

Еще один подход основан на системе правил. Правила выражаются в формате: «Если – условие, то – действие». Этот подход отличается простотой и позволяет дедуктивным методом выбрать действия для любых условий. Точность данного метода в значительной степени определяется полнотой базы правил.

Похожий подход основан на базе случаев, когда система выбирает случаи, наиболее близко подходящие к поставленной проблеме и потом среди отобранных случаев выбирается один, который адаптируется под текущую проблему. Преимуществом данного подхода является умение действовать в неизвестной обстановке.

Управление ресурсами

Динамическое управление спектром близко к управлению мощностью передачи. На основе данных о детектированных промежутках в спектре и уровне мощности передаваемых сигналов производится выбор схемы модуляции для текущих условий в канале. Также производится выбор каналов для передачи. Для направления ресурсов в те участки, где потребность в них наиболее высока, используются направленные антенны. Алгоритм также подстраивается под условия, меняющиеся со временем. Цель заключается в том, чтобы использовать частотный спектр эффективно и гарантировать надежную передачу по беспроводному каналу.

Управление ресурсами производится на всех уровнях, например:

QoS – контроль и управление допуском в сеть;
HAR Q – планирование в динамическом режиме и адаптация линии (канальный уровень);
адаптация канала управления, CQI и управление мощностью (физический уровень).

Эти принципы проиллюстрированы рисунком 4 для случая линии LTE.

Рис. 4. Очередность передачи и адаптация линии в сети LTE
Packet scheduling – очередность пакетов; QoS info – информация о качестве услуг; Time domain – временная область; Frequency domain – частотная область; RLC/MAC buffer status – Link adaptation – адаптация линии

Планирование позволяет повысить эффективность предоставления ресурсов нескольким пользователям. В сетях LTE радиочастотный спектр назначается во временной и частотной областях (см. рис. 5). Чем интенсивнее цвет, тем выше отношение сигнал-шум для данного пользователя. Планирование позволяет разделить ресурсы между пользователями так, чтобы пользователи не мешали друг другу.

Рис. 5. Пример планирования
Time – время

Особенности сети тактического назначения

Сети связи тактического назначения предназначены для передачи приказов и решений от одной команды, человека или места в другое в рамках боевого состава.

В современных системах связи тактического назначения для повышения пропускной способности применяются адаптивные методы выбора канала, алгоритмы передачи на нескольких несущих, несколько приемных и передающих антенн (MIMO). В когнитивных радиосистемах используются механизмы устранения интерференции, предотвращаются перехваты сигнала, повышается эффективность использования спектра и других ресурсов. В когнитивной сети сочетаются все виды устройств передачи: проводные линии, наземные станции беспроводной связи, спутниковая связь, БПЛА (см. рис. 6). Важно обеспечить совместимость разнородных участков сети. В настоящее время де-факто стандартом связи стали IP-протоколы.

Рис. 6. Пример сети тактического назначения
Satellite link – связь со спутником; UAV relay link – сигнал от БПЛА; LAN – локальная сеть; Command network – сеть команд; Wireless backbone network – беспроводная магистральная сеть; Soldier network – военные системы передачи

Для систем тактического назначения важно предотвратить интерференцию, глушение и перехват сигнала. В когнитивных системах технологии достижения данной цели можно разделить на три категории: аппаратные (например, применение направленных антенн), физические (модуляция, кодирование, формирование диаграммы направленности антенны), сетевые (маршрутизация).

При детектировании помех когнитивное радио осуществляет скачкообразное переключение канала, однако в отличие от обычного алгоритма выбор нового канала производится адаптивно. Когнитивная сеть может обнаружить передачу противника и подавить ее.

По сравнению с гражданскими когнитивными радиосистемами, тактические системы работают в более сложных условиях. Во-первых, излучение от военной системы передачи должно быть минимальным. Во-вторых, принимаются меры для сокрытия сигнала. Для получения наиболее достоверной оценки сбор данных необходимо проводить группой узлов (см. рис. 7).

Рис. 7. Пример двумерного представления спектра
Time – время; Frequency – частота; Occupied resource blocks – занятые ресурсные блоки; Interference free spectrum – свободный от интерференции спектр; Time frequency resource block – частотно-временной ресурсный блок

Проблему интерференции можно решить с помощью применения направленной антенны. При этом уменьшается требуемая мощность передачи и снижается риск перехвата сигнала, даже если на приемном конце используется ненаправленная антенна.

В результате анализа информации о направленности сигнала, полученной с разных узлов, вычисляется местоположение источника сигнала. Погрешность вносит задержка распространения сигнала. Нужно принимать во внимание и то, что иногда отраженный сигнал сильнее компоненты, принятой напрямую с источника.

Пример

Рассмотрим решение, разработанное компанией Elektrobit. Это беспроводная IP-сеть тактического назначения, основными узлами которой являются маршрутизатор и головной радиоприемник (Radio Head Unit), показанные на рисунках 8 и 9.

Рис. 8. Маршрутизатор для сетей тактического назначения

Рис. 9. Головное устройство

Маршрутизатор отвечает за направление данных и установление IP-соединения, RHU выполняет обработку сигнала, преобразование данных из цифровой формы в аналоговую и обратно, удаление шума, фильтрацию, усиление и т.д. Соединение между маршрутизатором и RHU осуществляется по оптическому каналу. В RHU может содержаться блок, отвечающий за анализ спектра. Поскольку RHU является устройством военного назначения, оно поддерживает несколько диапазонов частот и различные типы антенн.

Источник: журнал «Электронные компоненты»