Kognitivni radio. Osnovni pojmovi. Doc. dr Mirjana Simić

Transcription

1 Kognitivni radio Osnovni pojmovi Doc. dr Mirjana Simić

2 Motivacija Kognitivni radio je nova ideja u projektovanju bežičnih komunikacionih sistema koja ima za cilj da poboljša korišćenje ograničenog prirodnog resursa spektra. Motivacija koja stoji u osnovi kognitivnog radija je ograničenost spektra sa jedne strane, uz istovremeni porast novih bežičnih servisa visokog protoka sa druge strane. Najveći deo dostupnog spektra za radio komunikacije već je dodeljen postojećim bežičnom sistemima i praktično postoji još samo mali deo spektra koji bi mogao biti dodeljen novim bežičnim aplikacijama.

3 Motivacija Stalno rastući zahtevi za spektrom: - više korisnika, veći protoci, više aplikacija - mora se naći način da se obezbede i preko 100 puta veći zahtevi (po pitanju broja korisnika, protoka i aplikacija) u ovom veku! - prognoze Cisca još i gore (zahtevi i do 1000 puta veći već do god!)

4 Motivacija izvor: Federal Communiaction Commission, FCC (Spectrum Crunch)

5 Motivacija Sa druge strane, pokazalo se da neke (već dodeljene) frekvencijske opsege licencirani sistemi koriste u određeno vreme i na određenim lokacijama, ali i da postoje mnogi delovi spektra koji su ili delimično zauzeti ili uglavnom prazni. Na primer, delovi spektra koje koriste mobilni operatori dostižu maksimum korišćenja u toku radnog vremena, ali su od ponoći do ranih jutarnjih sati uglavnom prazna! Rezultati sporadičnih zapažanja doveli su do toga da je Federalna Komisija za Komunikacije, FCC (Federal Communiaction Commission) godine sprovela obimna merenja u cilju ispitivanja stepena iskorišćenosti već dodeljenih radio opsega.

6 Motivacija Merenja su pokazala da je prosečno u svakom trenutku na bilo kojoj lokaciji u zemlji (SAD) u upotrebi samo oko 5.2% dodeljenog radio spektra (maksimalna iskorišćenost dodeljenog spektra je 25%)! Ovaj podatak bio je incijalna kapisla za nova istraživanja koja bi bila usmerena ka traženju nekog drugog, fleksibilnijeg, načina korišćenja spektra. Osim FCC, slične rezultate dobile su i neke privatne kompanije koje su obavljala slična merenja i koja su takođe potvrdile postojanje velikih praznina u spektru. Posebno je interesantan rezultat da iskorišćenost opsega 3-5 GHz iznosi samo 0.3% 0.5%. Isti izvor pokazuje da je iskorišćenost TV kanala u proseku 12%, ali i da veoma zavisi od geografske lokacije.

7 Motivacija Merenja su takođe potvrdila da su najaktivniji opsezi oni dodeljeni ćelijskim sistemima (900MHz, 1800MHz, 2GHz); međutim iskorišćenost opsega na uplinku je ipak prilično niska, što ukazuje na postojanje praznih delova spektra čak i u ovim inače aktivnim opsezima.

8 Motivacija Najopsežnija merenja iskorišćenosti spektra, a koja mogu da posluže kao referentna tačka za neke druge sredine, obavljena su u SAD u okviru DARPA next Generation (XG) projekta. DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) je jedan od predvodnika razvoja kognitivnog radija. New York prosečna iskorišćenost: 13.1% Čikago Njujork

9 Motivacija Osnovni razlog koji je doveo do ovako neefikasne iskorišćenosti spektra jeste sam dosadašnji način dodeljivanja spektra (šema/politika licenciranja). Taj tradicionalni način dodeljivanja spektra zasniva se principu upravljanja-i-kontrole, gde se deo spektra dodeljuje određenom sistemu (licencira) i niko drugi (osim licenciranih korisnika) nema pravo korišćenja tog dela spektra, čak i onda kada je on slobodan (nekorišćen od strane licenciranih korisnika). Posledice ovakve statičke i nefleksibilne dodele spektra trpe i postojeći licencirani radio sistemi jer su prinuđeni da rade samo u delovima spektra koji su im dodeljeni, bez mogućnosti bilo kakvog prilagođavanja na promenljive uslove okruženja (npr. ako je dodeljeni deo spektra prezauzet, bežični sistem ne može koristiti neki drugi, u tom trenutku manje zauzeti opseg).

10 Motivacija U tradicionalnoj dodeli, pravo korišćenja određenog dela spektra (licenca na određeni deo spektra) obično se definiše prema sledećim parametrima: frekvenciji i opsegu geografskom području snazi predajnika vlasniku spektra (licence) tipu korišćenja i trajanju dozvole na pristup tom delu spektra. Normalno, licenca se dodeljuje jednom subjektu (vlasniku licence), koji ima obavezu da poštuje sve specifikacije u licenci (npr. maksimalne snage predajnika, lokacije baznih stanica,...).

11 Motivacija Tradicionalni način dodele prava na određeni deo spektra (licenca) ne poznaje mogućnost promene tipa korišćenja dodeljenog dela spektra niti mogućnosti prenosa licence na druge subjekte. Ovi (praktično veštački) razlozi ograničavaju korišćenje spektra što rezultira neefikasnim korišćenjem istog. Dakle, trenutna statička šema licenciranja dovela je do pojave praznih opsega u okviru dodeljenog dela spektra tzv. spektralnih šupljina spectrum holes.

12 Motivacija Spektralna šupljina je frekvencijski opseg dodeljen licenciranom korisniku koji ga u datom trenutku i na određenoj geografskoj lokaciji ne koristi.

13 Motivacija Sva ograničenja koja donosi statička šema pristupa spektru mogu se sumirati na sledeći način: 1. Nemogućnost promene namene dodeljenog dela spektra: Npr. opsezi dodeljeni za televiziju (TV broadcast) ne mogu se koristiti za neke druge radio sisteme, dok sa druge strane mogu velikim delom i na velikom broju lokacija ostati neiskorišćeni (npr. zbog primene sistema kablovske televizije). 2. Licenciranje za velike regione: Licenca se obično dodeljuje jednom korisniku ili jednom servis provajderu i to na na velikom području (najčešće na nivou celog grada ili države). Sa druge strane, servis provajderi (npr. mobilni operatori) ne koriste dodeljeni spektra podjednako, već uglavnom gledaju gustinu stanovništva (pretplatnika) na osnovu čega procenjuju ROI (return of investment) parametar. Dakle, koriste spektar više u oblastima sa velikim brojem pretplatnika. Kao posledica toga, dodeljene frekvencije ostaju neiskorišćene u drugim oblastima a da niko drugi ne može da ih koristi.

14 Motivacija 3. Dodeljivanje velikih delova spektra: Servis provajderi obično dobijaju licencu na veliki deo spektra (npr. 50MHz). Nije moguće dobiti licencu za manji deo spektra, u određenoj oblasti i za određeni vremenski interval koji bi npr. operatorima bilo vrlo zgodno za zadovoljavanje povremenih velikih saobraćajnih opterećenja (hotspot oblasti). 4. Zabrana pristupa spektru nelicenciranih korisnika: Sadašnji način licenciranja dozvoljava da samo licencirani korisnici imaju pristup dodeljenom delu spektra, dok ga nelicencirani korisnici ne smeju koristiti čak ni kada ga licencirani ne koriste. Npr. u slučaju ćelijskih sistema postoje zone u okviru ćelija u kojima praktično nema korisnika. Pristup spektru i u takvim situacijama od strane nelicenciranih korisnika ne bi bio moguć čak i kada ni na koji način ne bi smetali licenciranim korisnicima (npr. za bežične komunikacije kratkog dometa).

15 Motivacija zauzetost spektra iskorišćenost spektra Meas. power [db] f [GHz] Dosadašnja politika licenciranja spektra: velika zauzetost mala iskorišćenost enost! neophodan pametniji (kognitivniji) pristup spektru!

16 Motivacija

17 Motivacija U cilju poboljšanja efikasnosti i korišćenja raspoloživog spektra, pomenuta ograničenja bi se mogla otkloniti izmenom šeme licenciranja spektra, odnosno, izmenom dosadašnjeg načina dodeljivanja ali i korišćenja ovog prirodnog resursa. Osnovna ideja je učiniti pristup spektru fleksibilnijim što bi praktično značilo da već dodeljenim delovima spektra mogu pristupati i nelicencirani korisnici, naravno pod određenim ograničenjima. Obzirom da su postojeći radio sistemi projektovani tako da imaju standardizovane sve parametre uključujući i radni frekvencijski opseg, oni ne bi mogli biti igrači u fleksibilnom pristupu spektru. Stoga je uveden koncept kognitivnog radija kognitivnog radija. U terminilogiji kognitivnog radija licencirani korisnici se zovu primarni korisnici (PU primary users), dok se nelicencirani korisnici zovu sekundarni (SU secondary users) ili kognitivni korisnici.

18 Ciljevi Osnovni cilj kognitivnog radija je da omogući dinamički pristup spektru a time i prilagodljivost radio sistema i to na način da se ukupne performanse prenosa optimizuju uz istovremeno povećanje iskorišćenosti samog spektra. U tom cilju, kognitivni radio (CR) mora: 1. odrediti koji deo spektra je slobodan 2. izabrati najbolji kanal za komunikaciju 3. koordinisati pristup tom kanalu sa drugim (kognitivnim) korisnicima 4. preći na drugi kanal ukoliko se detektuje prisustvo licenciranog (primarnog) korisnika.

19 Zadaci Pomenuta 4 zadatka u terminologiji kognitivnog radija zovu se (respektivno): 1. Spectrum Sensing 2. Spectrum Decision 3. Spectrum Sharing 4. Spectrum Mobility. Sva četiri postupka predstavljaju sastavni deo procesa koji se zove upravljanje spektrom (Spectrum Management).

20 Karakteristike kognitivnog radija Postoji više definicija kognitivnog radija. U jednoj od definicija, kognitivni radio se definiše kao radio koji ima mogućnost da, na osnovu interakcije sa okruženjem, menja parametre prenosa signala. Iz ove definicije proizilaze i dve osnovne karakteristike dve osnovne karakteristike kognitivnog radija: 1. kognitivnost (samostalno donošenje odluka): kroz interakciju sa radio okruženjem u realnom vremenu, pronalaze se delovi spektra koji su u nekom trenutku i na nekoj lokaciji slobodni (spectrum holes). Bira se najbolji deo slobodnog spektra, privremeno se koristi, deli sa ostalim korisnicima (misli se na sekundarne korisnike) a da pritom ne predstavlja interferenciju primarnim korisnicima.

21 Karakteristike kognitivnog radija 2. rekonfigurabilnost je sposobnost podešavanja radnih parametara za prenos podataka bez modifikacija postojećeg hardvera. Ova osobina omogućava prilagođavanje promenama i dinamici radio okruženja. Postoji nekoliko rekonfigurabilnih parametara u okviru kognitivnog radija: a) Radna učestanost: CR ima mogućnost podešavanja radne učestanosti. Na osnovu informacija o radio okruženju, određuje se najpogodnija radna učestanost i sama komunikacija se dinamički uspostavlja na ovoj radnoj učestanosti.

22 Karakteristike kognitivnog radija b) Modulacija: Na osnovu zahteva korisnika kao i uslova u kanalu, kognitivni radio bira odgovarajuću modulacionu tehniku. * Primer-1: u slučaju servisa kod kojih je vremensko kašnjenje kritičan parametar, mnogo je bitniji protok nego verovatnoća greške na prijemu. Tada su izbor modulacione tehnike koje imaju visoku spektralnu efikasnost (npr. modulacije višeg reda). c) Snaga predajnika: Kognitivni radio ima mogućnost podešavanja izlazne snage. Mehanizam kontrole snage omogućava dinamičko podešavanje snage predajnika u okvirima dozvoljenih vrednosti izlazne snage. * Kognitivni radio uvek bira najmanju predajnu snagu za koju može ostvariti željeni prenos, kako bi omogućio što većem broju korisnika da koristi spektar kao i da smanji ukupnu interferenciju.

23 Karakteristike kognitivnog radija d) Tehnologija: Kognitivni radio ima mogućnost interoperabilnosti između različitih tehnologija. * U zavisnosti od potreba korisnika i okruženja, CR bira optimalnu od raspoloživih tehnologija, kao i promenu iste ukoliko se uslovi u okruženju izmene (GSM, WLAN,... ). Treba napomenuti da se svi pomenuti parametri (učestanost, modulacija, snaga predajnika i tehnologija) mogu podešavati i optimizovati ne samo na početku veze već u toku same veze (dinamičko podešavanje parametara).

24 CR i SDR Da bi se obezbedila rekonfigurabilnost kognitivnog radija, ključna komponenta u implementaciji kognitivnog radija je Softverski Definisan Radio (Software-Defined Radio), SDR. Softverski definisan radio predstavlja rekonfigurabilni bežični komunikacioni sistem u kojem se trasmisioni parametri (radna učestanost, opseg, tip modulacije, protokoli,...) mogu dinamički kontrolisati. Funkcije SDR se mogu realizovati kao programi koji rade na nekoj vrsti univerzalnog hardvera. Usled pomenutih osobina, SDR je ključna komponenta u implementaciji kognitivnog radija.

25 CR i SDR Kognitivni radio se često i definiše preko softverski definisanog radija ( Mitolin radio, Joseph Mitola): Kognitivni radio predstavlja nadgradnju softverski definisanog radija na višim slojevima kako bi se dobila sposobnost učenja i zaključivanja (kognitivnost). Ili, definicija data od strane Virginia Polytechnic Institute and State University (poznati u oblasti istraživanja kognitivnog radija): Kognitivni radio je softverski definisan radio sa veštačkom inteligencijom, sposoban da oseti i odreaguje na okolinu. Najkraće rečeno, kognitivni radio je softverski definisan radio koji ima dodatnu funkciju kognitivnost.

26 CR i SDR U tom smislu, kognitivni radio se posmatra deo evolutivnog niza: analogni radio digitalni radio SDR kognitivni radio 1.00E E+09 Povećanje prilagodljivosti Kognitivni radio 1.00E E E E E E+03 Analogni radio Digitalni radio Softverski definisan radio

27 Tradicionalni radio, SDR i CR

28 SDR Osnovne funkcije SDR su: multiband operation: SDR podržava prenos preko različitih frekvencijskih opsega koje koriste različite radio tehnologije (npr. opseg dodeljen ćelijskim sitemima, ISM opseg, TV opseg,...) multistandard support: SDR podržava različite standarde (GSM, WCDMA, WiMAX, WiFi,...). Takođe, SDR podržava i različite radio interfejse u okviru istog standarda (npr. IEEE a, b, g, n u okviru WiFi standarda,...) multiservice support: SDR podržava različite tipove servisa (mobilna telefonija, bežični Internet,...) multichannel support: SDR može da radi istovremeno na više frekvencijskih opsega.

29 SDR Opšta struktura SDR primopredajnika: Kao što se može videti, većina komponenata SDR (blok za obradu signala, A/D konvertori, obrada u osnovnom opsegu) su slične kao i kod tradicionalnih primopredajnika. Ključna razlika je u tome što se svaka komponenta može e kontrolisati protokolima sa viših ih slojeva, ili može biti rekonfigurisana kognitivnim radio modulom (SDR primopredajnik tada postaje CR primopredajnik!).

30 SDR - Parametrizacija standarda - Rekonfigurabilnost SDR znači da je terminal sposoban da procesira signale od različitih standarda ili čak signale koji nisu standardizovani ali koji postoje u specifičnoj primeni. Jedan od metoda za implementaciju rekonfigurabilnosti SDR je parametrizacija standarda. Naime, određeni komunikacioni standard posmatra se kao set dokumenata koji detaljno opisuju sve funkcije radio sistema na takav način da proizvođač na osnovu njega može da razvije odgovarajuću infrastrukturu i opremu. Standardizacija predstavlja jedan neophodni uslov kako bi se napravio uspešan komunikacioni sistem na tržištu, kao što je to primer sa GSM-om.

31 SDR - Parametrizacija standarda - Standardizacija se odnosi na sve vrste komunikacionih sistema, posebno na one personalne, lokalne, ćelijske ili na globalne bežične mreže. Naravno, standard mora da sadrži i precizne opise svih funkcija posmatranog sistema. Specijalno za mobilne sisteme moraju da budu određeni i radio interfejs i odgovarajući protokoli. Parametrizacija znači da se svaki standard posmatra kao jedan član familije standarda. Struktura obrade signala u okviru familije razvija se na takav način da se može izmeniti parametrima koji realizuju drugi standard.

32 Parametrizacija radio interfejsa nekih tehnologija

33 SDR - opcije rekonfigurabilnosti - Postoji nekoliko opcija podešavanja SDR parametara: 1. Parametri SDR primopredajnika (određeni standard) mogu se podesiti pre nego što se sistem isporuči kupcu. U ovom slučaju parametri se ne mogu izmeniti nakon što je sistem konfigurisan. Dinamičko podešavanje parametara nije podržano u ovom slučaju, ali ovakav SDR primopredajnik se može isporučiti velikom broju kupaca sa različitim zahtevima. 2. Parametri SDR primopredajnika se mogu povremeno podešavati (npr. kada se promeni struktura radio mreže ili kada se npr. doda nova bazna stanica u slučaju ćelijskih sistema).

34 SDR - opcije rekonfigurabilnosti - 3. Parametri SDR primopredajnika se mogu menjati u toku same konekcije (trajanja servisa). Npr. kada korisnik želi bežično da pristupi Internetu, primopredajnik može birati preko kojeg tipa pristupnih radio tehnologija to da ostvari (GSM, WiFi, WiMAX), zatim u zavisnosti od performansi, cene, Parametri SDR primopredajnika se mogu dinamički menjati na nivou vremenskog slota (npr. snaga predajnika se može menjati u skladu sa promenama nivoa interferencije). Sekundarni korisnik (kognitivni terminal) može promeniti svoj radni frekvencijski opseg kada detektuje prisustvo primarnog korisnika (npr. GSM korisnika).

35 SDR i CR - razlike - Dakle, kognitivni radio predstavlja poboljšanje softverski definisanog radija. Kao što je rečeno, SDR može da menja režim rada (radnu učestanost, talasne oblike, snagu predajnika, opseg,...) ali da bi to bilo moguće SDR mora da dobije komandu da to učini kao i koji su novi parametri na koje treba da se rekonfiguriše. Razlika između kognitivnog radija i SDR je samo u tome što kognitivni radio ima sposobnost da sam donosi takve odluke (kada i na koji način da se rekonfiguriše)! Te odluke donosi na osnovu analize svog elektromagnetnog okruženja i svojih kognitivnih osobina (zaključivanje, učenje,...) Analogija: SDR terminali su kao klasični automobili, kojima je potreban vozač koji će njima upravljati, koji će odlučiti kad treba da stanu, povećaju brzinu, da promene traku... Kognitivni radio, sa druge strane, je sličan autu koji sam donosi odluke za sebe (nije potreban vozač ).

36 SDR i CR Dakle, zaključuje se da kognitivni radio predstavlja upgrade (poboljšanje) SDR-a tako što mu dodaje inteligenciju (upravljački deo, kognitivnost). Deo zadužen za inteligenciju u literaturi je poznat kao cognitive engine, pa se često arhitektura kognitivnog radija predstavlja na sledeći način:

37 SDR i CR Kao što se sa prethodne slike vidi, da bi cognitive engine mogao da upravlja SDR-om (tj. da bi mogla da se realizuje inteligencija - kognitivnost), neophodna su mu tri bloka: 1.Knowledge base (baza znanja) 2.Reasoning engine (deo za rezonovanje, razmišljanje,...) 3.Learning engine (deo za učenje), dok se komunikacija između SDR i Cognitive engine obavlja preko tzv. API (Application Programming Interface) interfejsa. Scenario je da kognitivni deo (cognitive engine) u bilo kom trenutku generiše zaključke na osnovu informacija definisanih u bazi znanja. Ovi zaključci su rezultat ekstrapolacije informacija zasnovanih na razmišljanju i učenju (funkcijama blokova Reasoning i Learning engine).

38 SDR i CR Reasoning engine se odnosi na veštačku inteligenciju (granu računarske tehnike koja se bavi razvojem inteligentnog hardvera i softvera) gde je poznat pod nazivom ekspertski sistem (inteligentni računarski sistem koji ima sposobnost donošenja odluka na nivou čoveka eksperta iz neke oblasti (decision-making ability of a human expert). Ekspertski sistemi se realizuju u cilju rešavanja složenih problema, ali ne na način kao kod konvencionalnog programiranja (prateći proceduru programera), već unoseći i nivo inteligencije (rezonovanja) u donošenju odluka. Reasoning engine funkcioniše tako što u svakom trenutku posmatra trenutno stanje kao i skup svih akcija koje su na raspolaganju u tom stanju. Na osnovu toga se zatim procenjuju sva izlazna stanja kako bi se našlo optimalno (pri čemu se pod optimalnim podrazumeva ono stanje koje optimizuje tzv. funkciju cilja objective function).

39 SDR i CR Sa druge strane, Learning engine je odgovoran za upravljanje bazom znanja na osnovu iskustava. Kada je npr. neke lekcije naučene, learning engine ih smešta u bazu znanja, kao buduće reference (uputstva) za reasoning engine. Naime, u kompleksnom okruženju u kakvom je kognitivni radio, postoji veliki broj ulaza i izlaza, i reasoning engine bi trebao razmotriti bezbroj akcija kako bi se razmotrila sva moguća izlazna radio stanja (da bi izabrao optimalno). Iz ovog sledi neophodnost postojanja learning engine dela koji ove akcije autogeneriše na osnovu prethodnih iskustava. Do danas je razvijen veliki broj learning algoritama za kognitivni radio: HMM - hidden Markov model (skriveni Markovljev model), neuralne mreže, genetički algoritmi - heuristički algoritmi (algoritmi razvijeni za brže rešavanje problema od klasičnih algoritama ili za nalaženje aproksimativnog rešenje kada ostali algoritmi ne mogu dati nikakvo) koji oponašaju proces prirodne selekcije; pripadaju grupi evolutivnih algoritama koji se bave problemima optimizacije (iznalaženje optimalnih rešenja za određene probleme), koristeći tehnike prirodne evolucije: mutacije, selekcija, naslednost, crossover,...

40 SDR i CR Kao i u slučaju reasoning dela, skoro svaka tehnika učenja tj. learning algoritama zasniva se na primeni funkcije cilja (objective function) kako bi se odredile optimalne vrednosti naučenih podataka. U kognitivnom radiju, ove funkcije cilja odražavaju krajnji cilj aplikacije, a to je npr. maksimizacija kapaciteta kanala (koji bi koristio kognitivni radio). Cilj dela learning engine je da odredi koji ulazni parametri (ulazno stanje) optimizuje funkciju cilja. Za razliku od funkcije cilja kod reasoning dela, u slučaju learning dela ne postoji jednostavna matematička veza između ulaznih parametara u sistem i funkcije cilja.

41 CR u užem smislu Dakle, CR u osnovi predstavlja SDR sa veštačkom inteligencijom, sposoban da analizira okolinu i odreaguje na promene u okolini. Ipak, treba naglasiti da neki autori smatraju da koncept kognitivnog radija ne treba uvek vezivati za SDR, tj. da SDR platforma ne mora da bude temelj realizacije kognitivnog radija. U cilju rešavanja ovih nedoumica, najbolje prihvaćena definicija kognitivnog radija je ona koju je dao FCC: kognitivni radio je bežični uređaj, ili mreža, koja dinamički detektuje neiskorišćene delove radio spektra i koristi ih tako da ne narušava rad licenciranih korisnika.

42 CR u užem smislu Pogodnu definiciju kognitivnog radija dao je Haykin: Kognitivni radio je inteligentni bežični komunikacioni sistem koji je svestan svog okruženja (spoljašnjeg sveta), koristi metodologiju understanding-by-building za učenje na osnovu svog okruženja i u realnom vremenu se prilagođava slučajnim varijacijama u okruženju, nastojeći da ispuni dva primarna cilja: 1. visok nivo pouzdanosti komunikacije u bilo kom trenutku i pod bilo kojim uslovima; 2. efikasno korišćenje radio spektra.

43 CR u širem smislu U širem smislu kognitivni radio se definiše kao radio koji se prilagođava ne samo uslovima okruženja već i svom korisniku. Ovakva kognitivnost, podrazumeva gradaciju čak devet modela ponašanja od potpuno isprogramiranog do samostalnog pronalaženja i predlaganja novih planova i protokola komunikacije. Modeli obuhvataju razne stepene spoznaje geografske lokacije, radio spektra, akumuliranje prethodnih iskustava i prilagođavanje situaciji razumevanjem i učenjem. Pri tome, moguć je i scenario rada u kome se na osnovu biometrijskih podataka prepoznaje korisnik i na osnovu toga mu se dozvoljava određeni nivo pristupa. Drugim rečima, kognitivni radio prepoznaje i klasifikuje korisnike na osnovu njihovih navika.

44 Kognitivni radio - idealan i realan - Imajući sve ovo na umu jasno je da i dalje postoji dualnost pojma: s jedne strane je FCC kognitivni radio koji odgovara definiciji kognitivnog radija kao sistema koji efikasno koristi spektar a ne smeta licenciranim korisnicima i koji je u mnogim primenama realnost, a sa druge strane idealni kognitivni radio (tzv. Mitola-radio ) koji je znatno šira vizija inteligentnog radio sistema (veštačka inteligencija). U ovom slučaju kognitivni terminali su neka vrsta personalnih asistenata koji upoznaju svog korisnika, uče njegovo ponašanje i navike, i na osnovu toga samostalno obavljaju razne funkcije (dakle i u slučaju kada od svog korisnika ne dobiju komandu da to za njega učine). Logično je pretpostaviti da se idealan kognitivni radio koncept može očekivati tek u nešto daljoj budućnosti.

45 Komponente kognitivnog radija Osnovne funkcije kognitivnog radija usmerene su u cilju prilagođavanja parametara prenosa promenama okruženja. Na slici su predstavljene komponente kognitivnog primopredajnika koje implementiraju ove funkcije:

46 Komponente kognitivnog radija Predajnik/prijemnik: osnovna komponenta kognitivnog primopredajnika je SDR. Radio prijemnik se takođe koristiza nadgledanje aktivnosti u spektru odnosno za osluškivanje spektra (spectrum sensing). Parametri primopredajnika u mogu se dinamički menjati što diktiraju viši protokolski slojevi. Analizator spektra: analizator spektra vrši merenja signala u cilju analize iskorišćenosti spektra (detektuje tip signala koji potiče od primarnog korisnika i traži spektralne šupljine kojima bi mogli da pristupe sekundarnu korisnici). Spektralni analizator takođe mora da obezbedi da se prenos podataka primarnih korisnika ne ometa u slučaju da se sekundarni korisnici odluče da pristupe spektru.

47 Komponente kognitivnog radija Učenje i ekstrakcija znanja (cognitive engine): Ovaj blok koristi informaciju o iskorišćenosti spektra kako bi analizirao radio okruženje, odnosno ponašanje primarnih korisnika. Na osnovu toga, formira se baza znanja (koja se održava i po potrebi modifikuje (update-uje)), što se zatim koristi za optimizaciju i adaptaciju transmisionih parametara. Za realizaciju ovih zadataka koriste se algoritmi elektronskog učenja. Donošenje odluka: Nakon saznanja o iskorišćenosti spektra i ponašanja primarnih korisnika, donosi se odluka o pristupu spektru. Optimalna odluka zavisi od toga da li se donosi u kooperativnom okruženju (sekundarni korisnici međusobno sarađuju u cilju pristupa spektru) ili takmičarskom (sekundarni korisnici se nadmeću za spektar): ako se sistem može modelovati kao jedna celina sa jednim ciljem koriste se teorija optimizacije; nasuprot tome, ako se sistem modeluje kao skup entiteta različitih ciljeva, primenjuje se teorija igara (game theory).

48 Kognitivni ciklus Kognitivne sposobnosti podrazumevaju postojanje znanja o uslovima u okruženju, inteligentno odlučivanje, učenje, prilagodljivost, pouzdanost, efikasan rad,... Radnje koje kognitivni radio može preduzeti pri svakoj novoj pobudi predstavljaju se preko tzv. kognitivnog ciklusa.

49 Kognitivni ciklus Razmotrićemo dva popularna prikaza kognitivnog ciklusa: 1. prikaz kognitivnog ciklusa po Mitoli (6 ključnih stanja, god.) 2. prikaz kognitivnog ciklusa po Haykinu (3 ključna stanja, god.) Kognitivni ciklus po Mitoli je u skladu sa njegovom definicijom kognitivnog radija (idealan kognitivni radio), dakle, ne odnosi se posebno na RF/radio svet, već više na sisteme veštačke inteligencije generalno. Za razliku od toga, kognitivni ciklus po Haykinu je mnogo praktičniji i kompletno okrenut ka radio svetu, što je i u skladu sa njegovom vizijom kognitivnog radija kao inteligentnog radio sistema koji ostvaruje pouzdanu komunikaciju uz efikasno korišćenje spektra.

50 Kognitivni ciklus - Mitola Zaključivanje o kontekstu Predobrada Raščlanivanje Opažanje Orijentacija Uspostavljanje prioriteta Neodložan Normalan Hitan Planiranje Vremenska odrednica Prijem poruke Novo stanje Prethodno stanje Učenje Pamćenje konteksta Odluka Alokacija resursa OKRUŽENJE Slanje poruke Akcija

51 Kognitivni ciklus - Mitola U fazi Opažanja anja, kognitivni radio posmatra događaje iz okruženja u kome je potrebno uspostaviti vezu. U toku ove faze, vrši se prikupljanje podataka iz okruženja, njihovo kombinovanje, kao i kombinovanje sa prethodnim iskustvima. U fazi Orijentacija kognitivni radio pokušava da razume situaciju i okruženje u kojem je potrebno uspostaviti vezu. U toku ove faze, kognitivni radio pokušava da prepozna rezultate faze opažanja, odnosno, da utvrdi poklapanje nekog prethodnog iskustva sa trenutnom situacijom (jedan od kriterijuma je npr. brojanje odlika koje se ne podudaraju,...).

52 Kognitivni ciklus - Mitola U toku faze Orijentacija procenjuje se i hitnost korisničke poruke (uspostavljanje prioriteta) i shodno tome postavlja režim rada: Pri normalnom radnom režimu vrši se planiranje. Neodložan prioritet imaju npr. slučajevi kada je došlo do iznenadnog gubitka napajanja i tada ciklus sa orijentacije odmah prelazi na akciju. Treći slučaj prioriteta nastaje npr. ukoliko je iz nekog razloga iznenada prekinut do tada korišćeni radio link (primera radi, posledica ulaska u zatvoreni prostor) radio će hitno preći na neki drugi (skuplji i otporniji) link preskačući planiranje.

53 Kognitivni ciklus - Mitola Iako postoje tri režima rada, većina poruka se tretira sa namerom (normalan režim), nego reaktivno (režimi: neodložan i hitan). Ulazna poruka će normalno biti tretirana generisanjem plana (faza Planiranje). Ova faza obuhvata planiranje resursa i obično sadrži i vremensku odrednicu (sadrži informaciju o hitnosti poruke za one slučajeve za koje kognitivni radio nije unapred naučen, kao je slučaj kod reaktivnih). U fazi Odluka bira se između više kandidata "planova delovanja, dok se u fazi Akcija inicira izabrani proces. Ciklus predviđa i Učenje enje na osnovu sopstvenih iskustava ili saznanja dobijenih iz mreže pri opažanju okruženja, planiranju i odlučivanju. Ova funkcija predstavlja veliki napredak CR sistema u odnosu na obične radio sisteme, jer oslobađa delovanje CR od ljudskog faktora i CR sisteme čini potpuno autonomnim.

54 Tradicionalni kognitivni ciklus - Haykin Haykin posmatra ciklus kao neprekidni proces sa 3 ključna elementa a ne kao korake koje zahteva svaka nova pobuda iz spoljnjeg sveta (Mitola) Cognitive radio Akcija: Emitovanje signala Kontrola snage predajnika i upravljenje spektrom Radio okruženje Spoljni svet Spektralne šupljine Statistike šuma Statistike saobraćaja RF pobuda Analiza radio spektra Kvantiziran kapacitet signala Estimacija stanja kanala i kapaciteta Nivo interferencije

55 Tradicionalni kognitivni ciklus - Haykin Ključni elementi Haykinovog ciklusa su: 1. Analiza radio spektra, odnosno pronalaženje spektralnih šupljina; 2. Određivanje stanja kanala i procena kapaciteta; 3. Kontrola snage predajnika i dinamičko dodeljivanje spektra. Ovaj model ukazuje na to da pri radu mora postojati povratna informacija između prijemnika i predajnika: zadatak prijemnika je da pronađe spektralne šupljine u opsegu od interesa, odredi nivo interferencije u tom opsegu i te informacije prosledi predajniku; predajnik na osnovu toga emituje signal na određenoj frekvenciji uz dinamičku kontrolu snage.

56 Novi Kognitivni ciklus Haykin Novije studije predlažu izdvajanje dela vezanog za analizu spektra (spectrum sensing) iz kognitivnih terminala i smeštanje u zasebne uređaje (sensing devices) koji bi onda vršili analizu spektra i gotove rezultate slali kognitivnim terminalima. Na osnovu izveštaja od sensing uređaja, kognitivni terminal bi znao koji deo spektra je slobodan za korišćenje. Razloga za ovakvu ideju ima više, a neki od njih su da sam postupak analize spektra dosta usložnjava sam kognitivni terminal, troši dosta vremena i resursa obzirom na kompleksnost postupka analize spektra. Naravno, bitan je i ekonomski aspekt pošto integrisana verzija znatno povećava cenu samog kognitivnog terminala.

57 Novi Kognitivni ciklus Haykin Izmeštanjem postupka analize spektra iz kognitivnog terminala troškovi se velikim delom prebacuju sa korisnika na operatora, obzirom da bi implementacija mreže nezavisnih sensing uređaja bila sada obaveza operatora. Mreža sensing uređaja imala bi zadatak da izvrši spectrum sensing i gotove rezultate prosledi kognitivnim terminalima, koji bi standardno nastavili sa svojim uobičajnim zadacima (podešavanje parametara emisije: snage predaje, modulacije, kodovanja,..., kao i ostalih koraka u postupku upravljanja spektrom: spectrum sharing,... ). Dakle, mreža sensing uređaja vršila bi na ovaj način kontrolu pristupa (admission control) kognitivnih terminala spektru. Za ove potrebe predlažu se različite konfiguracije bežičnih senzorskih mreža.

58 Novi Kognitivni ciklus Haykin Kognitivni radio Akcija: Emitovanje signala Kontrola snage predajnika i upravljenje spektrom Radio okruženje Spoljni svet Spektralne šupljine Statistike šuma Statistike saobraćaja RF pobuda Uređaj za analizu radio spektra (sensing device) Analiza radio spektra Kvantiziran kapacitet signala Estimacija stanja kanala i kapaciteta Nivo interferencije

59 Arhitektura protokola u CR Na fizičkom sloju, RF front-end je implementiran preko SDR. Adaptivni protokoli na MAC, mrežnom, i transportnom sloju moraju biti svesni promena u okruženju. Takođe, adaptivni protokoli moraju uzeti u obzir i saobraćajnu aktivnost primarnih korisnika, transmisione zahteve sekundarnih korisnika, varijacije uslova u kanalu,... Za povezivanje svih modula koristi se kognitivni radio koji uspostavlja interfejse između SDR primopredajnika, adaptivnih protokola, bežičnih aplikacija i servisa. Ovaj kognitivni modul koristi napredne algoritme obrade merenih signala sa fizičkog sloja i prima informacije o parametrima prenosa sa sloja aplikacije kako bi kontrolisao parametre protokola u različitim slojevima. Arhitektura protokola u CR

60 Location awareness u CR Na kraju treba naglasiti da, u cilju optimizacije radio linka uslovima u okruženju, kognitivni radio osim informacije o spektru (spectrum awareness) mora imati informacije i o lokaciji (location awareness) kao i informacije o karakteristikama samog okruženja u kojem se komunikacija obavlja (environmental awareness). Informacija o lokaciji neophodna je iz više razloga. Neki od njih su: prepoznavanje tipa okruženja na osnovu informacije o lokaciji (time i prilagođavanje različitim uslovima u ruralnom i urbanom okruženju, npr.) efikasnije korišćenje radio kanala između kognitivnih korisnika ako su poznate i njihove lokacije izbegavanje interferencije prema primarnim korisnicima ukoliko se zna gde se oni nalaze,... bezbednost kognitivnog radija.

61 Envoronmental awareness u CR Informacija o okruženju je vrlo bitna za ispravno funkcionisanje kognitivnog radija, obzirom da je okruženje u kojem se obavlja komunikacija nosi dosta informacija o samom radio kanalu. U ovu vrstu informacija spadaju topografske informacije, propagacione karakteristike radio kanala, meteorološke informacije,... Dakle, kognitivni radio mora imati mogućnost prikupljanja informacija iz okruženja radio formiranja kompletne radio-mape u određenom trenutku i na određenom mestu. Enviromental awareness ima posebnu ulogu u formiranju baza podataka o karakteristikama okruženja koje se kasnije koriste u procesu učenja i ekstrakcije znanja kognitivnog radija (slika sa slajda 38, blok Learning/Knowledge extraction).

62 Model kognitivnog radio sistema U skladu sa svim potrebnim informacijama za ispravno funkcionisanje kognitivnog radija (spectrum awareness, location awareness i environmental awareness), jedan od modela kognitivnog radio sistema prikazan je na slici:

63 Kognitivni radio u mrežnom okruženju

64 Radio mreže u CR - osnovni pojmovi - Kada pričamo o koegzistenciji kognitivnih korisnika i primarnih korisnika ili kognitivnih korisnika međusobno, pričamo ustvari o kognitivnom radiju u mrežnom okruženju. Razlikujemo dva tipa mreža: 1. Primarna mreža i 2. Sekundarna mreža. Primarna mreža Pod pojmom primarne mreže podrazumevaju se postojeće radio mreže koje imaju ekskluzivno pravo na korišćenje određenog (dodeljenog) dela spektra (imaju licencu za određeni deo spektra). Stoga je alternativni naziv ovih mreža i licencirane mreže. * Primeri ovakvih mreža su ćelijske mreže, TV mreže,...

65 Radio mreže u CR - Primarna mreža - Komponente primarne mreže su: 1. Primarni korisnik (licenciran korisnik): korisnik koji ima licencu da koristi dodeljeni deo spektra. Pristup primarnog korisnika mreži kao i svi servisi koje koristi u potpunosti kontroliše primarna bazna stanica, i taj pristup ni na koji način ne sme biti ometan postojanjem nelicenciranih korisnika. Terminali primarnih korisnika ne zahtevaju nikakve modifikacije niti dodatne funkcionalnosti da bi normalno funkcionisali u okruženju u kojem postoje i sekundarni korisnici preciznije, primarni korisnici ni na koji način ne treba da primete postojanje sekundarnih korisnika!

66 Radio mreže u CR - Primarna mreža - 2. Primarna bazna stanica (licencirana bazna stanica): fiksna komponenta mrežne infrastrukture koja ima licencu na radni opseg u određenom delu spektra, baš kao i BS u ćelijskim sistemima (GSM). Primarna BS nema nikakve kognitivne sposobnosti u smislu deljenja spektra (spectrum sharing) sa nelicenciranim korisnicima. Ipak, primarna BS može podržavati neke dodatne protokole koji bi omogućoli kognitivnim korisnicima pristup primarnoj mreži (primary network access).

67 Radio mreže u CR - Sekundarna mreža - Sekundarna mreža Pod pojmom sekundarne mreže podrazumevaju se mreže koje nemaju licencu za korišćenje željenog dela spektra. Stoga je alternativni naziv ovih mreža i nelicencirane mreže, kognitivne mreže (CR network), DSA (Dynamic Spectrum Access) mreže. Postoje dva tipa sekundarnih mreža: 1. sekundarne mreže sa infrastrukturom (postoje sekundarne bazne stanice) 2. sekundarne mreže bez infrastrukture (ad hoc mreže)

68 Radio mreže u CR - Sekundarna mreža - Komponente sekundarne mreže su: 1. Sekundarni korisnik (nelicenciran korisnik, kognitivni korisnik, CR user): korisnik koji nema licencu da koristi željeni deo spektra. Terminali sekundarnih korisnika zahtevaju dodatne funkcionalnosti kako bi koristili željeni, licencirani, deo spektra. 2. Sekundarna bazna stanica (nelicencirana BS, CR base station): fiksna komponenta mrežne infrastrukture (u slučaju kada je reč o tipu 1 sekundarne mreže) koja nema licencu na radni opseg u željenom delu spektra. Ova bazna stanica ima kognitivne mogućnosti i ostvaruje vezu (single-hop veza) sa kognitivnim korisnicima. Preko ove veze kognitivni korisnici mogu pristupati i drugim mrežama.

69 Radio mreže u CR - Sekundarna mreža - 3. Spectrum broker: centralni deo sekundarne mreže čija je uloga deljenje spektra između različitih sekundarnih mreža. Ova komponenta je povezana sa različitim sekundarnim mrežama i omogućava koegzistenciju različitih sekundarnih mreža. Preciznije, uloga spectrum brokera je optimalno raspoređivanje resursa (spektra) između različitih sekundarnih mreža. Na sledećoj slici dat je primer arhitekture koja se sastoji od različitih tipova mreža: 1. primarna mreža 2. sekundarna mreža (kognitivna mreža): sa infrastrukturom bez infrastrukure (ad-hoc sekundarna mreža).

70

71 Radio mreže u CR - Sekundarna mreža - Na slici se takođe vidi da kognitivna radio mreža radi u spektralnom okruženju u kojem postoje i licencirani i nelicencirani opsezi. Takođe, kognitivni korisnici mogu međusobno direktno komucirati (multihop način), ili preko bazne stanice. Dakle, postoje tri načina na koji kognitivni korisnici mogu pristupiti mreži: pristup kognitivnoj mreži (CR network access) kognitivni korisnici pristupaju svojoj baznoj stanici (CR bazna stanica) i u licenciranom i u nelicenciranom opsegu ad-hoc pristup (CR ad-hoc access) kognitivni korisnici komuniciraju sa drugim kognitivnim korisnicima preko ad-hoc veze i u licenciranom i u nelicenciranom opsegu. pristup primarnoj mreži (primary network access) kognitivni korisnici pristupaju primarnoj mreži u licenciranom opsegu

72 Radio mreže u CR - Sekundarna mreža - Da bi radila u heterogenom okruženju (što se i sa prethodne slike vidi) kognitivna mreža mora imati i dodatne funkcionalnosti. Kao što je rečeno, kognitivna mreža radi i u licenciranom i u nelicenciranom opsegu, tako da i zahtevane nove funkcije kognitivnih mreža zavise od toga da li je opseg licenciran ili nije. U skladu sa tim, za razmatranje dodatnih funkcija kognitivnih mreža imamo sledeća dva scenarija: kognitivna mreža u licenciranom opsegu kognitivna mreža u nelicenciranom opsegu.

73 Sekundarne (kognitivne) radio mreže - licenciran opseg - Sekundarna mreža a u licenciranom opsegu Kao što je na početku rečeno, u licenciranom delu spektra mogu se javiti frekvencijski opsezi dodeljeni licenciranim korisnicima koji ih u datom trenutku i na određenoj geografskoj lokaciji ne koriste spektralne šupljine. Dakle, prvi pomenuti scenario odnosi se na slučaj kada kognitivna mreža ima za cilj korišćenje ovih spektralnih šupljina u licenciranom delu spektra. U tom slučaju, na istoj lokaciji, i u istom frekvencijskom opsegu postoje i primarna i sekundarna (kognitivna) mreža (sledeća slika).

74 Sekundarne (kognitivne) radio mreže - licenciran opseg - Primarna bazna stanica Primarna mreža Sekundarna bazna stanica Dinamički pristup spektru Primarni korisnik Kognitivni korisnik Kognitivni korisnik Kognitivna mreža

75 Sekundarne (kognitivne) radio mreže - licenciran opseg - Postoji nekoliko osnovnih zadataka koje kognitivna mreža mora da ispuni u licenciranom opsegu (dakle, u prisustvu primarne mreže). Iako je osnovna namena kognitivne mreže da odredi koji deo raspoloživog spektra je najbolji za realizaciju svojih servisa, glavni zadatak u ovakvom scenariju je detekcija prisustva primarnih korisnika. Kapacitet kanala spektralne šupljine zavisi od interferencije prema primarnim korisnicima u blizini. Dakle, glavni zadatak za kognitivnu mrežu je izbegavanje interferencije sa primarnim korisnicima. Dodatno, ukoliko se u opsegu koji privremeno koristi kognitivni korisnik pojavi primarni korisnik, kognitivni korisnik mora odmah napustiti taj deo spektra i prebaciti se na neki drugi dostupni deo spektra (spectrum handoff).

76 Sekundarne (kognitivne) radio mreže - nelicenciran opseg - Sekundarna mreža a u nelicenciranom opsegu Politika otvorenog spektra (open spectrum) koja je počela u ISM opsegu rezultirala je velikim brojem novih i različitih tehnologija. Ipak, usled interferencije između različitih sistema, spektralna efikasnost u ISM opsegu opada. Konačno, kapacitet otvorenog spektra kao i kvalitet servisa koji oni omogućavaju zavisi od stepena na koji radio sistemi mogu efikasno koristiti željeni deo spektra. Kognitivne mreže se mogu realizovati na taj način da povećavaju iskorišćenost dela spektra u nelicenciranom opsegu.

77 Sekundarne (kognitivne) radio mreže - nelicenciran opseg - Spectrum Broker Kognitivna mreža (Operator 1) Kognitivna mreža (Operator 2) Kognitivni korisnik (Operator 1) Kognitivni korisnik (Operator 2)

78 Sekundarne (kognitivne) radio mreže - nelicenciran opseg - U ovakvom scenariju, ne postoje licencirani korisnici (primarni korisnici), tako da svi korisnici u mreži imaju ista prava na korišćenje spektra. Dakle, u ovakvom scenariju, kognitivni korisnici se fokusiraju na detekciju ostalih kognitivnih korisnika (pošto primarni ne postoje). Iz istog razloga, ovde ne postoji spectrum handoff koji bi izazvalo prisustvo primarnih korisnika. Ipak, obzirom da svi kognitivni korisnici imaju ista prava na pristup spektru, jedno od rešenja je da se oni nadmeću za određeni deo spektra (takmičarski scenario!).

79 Sekundarne (kognitivne) radio mreže - nelicenciran opseg - Sa druge strane, u ovakvom scenariju može postojati i više kognitivnih mreža koje rade u istoj oblasti i koriste isti deo spektra. Obzirom da različite kognitivne mreže postoje u istom nelicenciranom delu spektra, zahteva se ravnopravna raspodela resursa (spektra) između njih. U tom slučaju, primenjuju se inteligentni algoritmi deljenja spektra (spectrum sharing) koji imaju za cilj poboljšanje efikasnosti korišćenja spektra i povećanje QoS.

80 Sekundarne (kognitivne) radio mreže - potpomognute senzorskom mrežom - Kao što je rečeno, novija rešenja idu u smeru izmeštanja funkcije analize spektra iz kognitivne mreže u posebnu bežičnu senzorsku mrežu koja bi obavljala ovaj proces i gotove rezultate sensinga slala kognitivnoj mreži. Na slici je prikazana i arhitektura takve kognitivne mreže potpomognute bežičnom senzorskom mrežom koja obavlja funkciju spectrum sensinga. EU projekat, SENDORA (SEnsor( Network for Dynamic and cognitive Radio Access)

81 Hvala na pažnji!