Radio cognitiva

Una radio cognitiva ( CR ) es una radio que se puede programar y configurar dinámicamente para utilizar los mejores canales cercanos para evitar interferencias y congestiones del usuario. Una radio de este tipo detecta automáticamente los canales disponibles y luego cambia en consecuencia sus parámetros de transmisión o recepción para permitir más comunicaciones inalámbricas simultáneas en una banda determinada en una ubicación. Este proceso es una forma de gestión dinámica del espectro .

Descripción

En respuesta a las órdenes del operador, el motor cognitivo es capaz de configurar los parámetros del sistema de radio. Estos parámetros incluyen " forma de onda , protocolo, frecuencia de funcionamiento y red". Este funciona como una unidad autónoma en el entorno de comunicaciones, intercambiando información sobre el entorno con las redes a las que accede y otras radios cognitivas (CR). Un CR "supervisa continuamente su propio rendimiento", 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 brindar la calidad de servicio requerida sujeta a una combinación adecuada de requisitos del usuario, limitaciones operativas y restricciones regulatorias". ".

Algunas propuestas de "radio inteligente" combinan una red de malla inalámbrica: cambiando dinámicamente la ruta que toman los mensajes entre dos nodos determinados utilizando diversidad cooperativa ; radio cognitiva: cambiar dinámicamente la banda de frecuencia utilizada por los mensajes entre dos nodos consecutivos en el camino; y radio definida por software : cambia dinámicamente el protocolo utilizado por el 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 de 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 suficientemente inteligentes desde el punto de vista computacional 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 adecuado a esas necesidades.

^[1]

La radio cognitiva se considera 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 regulatorias tradicionales se han creado para un modelo analógico y no están optimizadas para la radio cognitiva. Los organismos reguladores de todo el mundo (incluida la Comisión Federal de Comunicaciones de los Estados Unidos y la Ofcom del Reino Unido), así como diferentes campañas de medición independientes, descubrieron que la mayor parte del espectro de radiofrecuencia se utilizaba de manera ineficiente. ^{[2] Las bandas} de las redes celulares están sobrecargadas en la mayor parte del mundo, pero otras bandas de frecuencia (como las frecuencias militares, de radioaficionados y de búsqueda ) 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 fija de espectro impide que se utilicen frecuencias poco utilizadas (aquellas asignadas a servicios específicos), incluso cuando cualquier usuario sin licencia no causaría interferencias perceptibles al servicio asignado. Los organismos reguladores de todo el mundo han estado considerando la posibilidad de permitir usuarios sin licencia en bandas con licencia si no causarían ninguna interferencia a los usuarios con licencia. Estas iniciativas han centrado la investigación de la 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 IEEE 802 (LMSC) ^[3] 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 autorizados en el área para identificar canales disponibles para uso de la red de radio cognitiva. La detección de espectro observa el espectro e identifica los canales ocupados. IEEE 802.22 fue diseñado para utilizar frecuencias o fragmentos de tiempo no utilizados en una ubicación. Este espacio en blanco son los canales de televisión no utilizados en las zonas 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 autorizadas. ^[4]

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 parámetros posibles observables por un nodo (o red) inalámbrico. ^[5]
• Radio cognitiva con detección de espectro , en la que sólo se considera el espectro de radiofrecuencia.

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

• Radio Cognitiva de Banda Licenciada , 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 funcionará en canales de televisión no utilizados, también conocidos como espacios en blanco de TV . ^{[6] [7]}
• Radio cognitiva de banda sin licencia , que solo puede utilizar partes sin licencia del espectro de radiofrecuencia (RF). ^{[ cita necesaria ]} Uno de estos sistemas se describe en las especificaciones IEEE 802.15 Task Group 2, ^[8] que se centran en la coexistencia de IEEE 802.11 y Bluetooth . ^{[ cita necesaria ]}
• Movilidad del espectro : Proceso por el cual un usuario de radio cognitiva cambia su frecuencia de operación. Las redes de radio cognitiva 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 requisitos de comunicación fluidos durante las transiciones a un mejor espectro.
• Uso compartido de espectro ^[9] : Las redes de radio cognitiva que comparten espectro permiten a los usuarios de radio cognitiva compartir las bandas de espectro de los usuarios de bandas 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 de espectro basado en sensores : ^[10] En las redes de radio cognitivas que comparten espectro basado en sensores, los usuarios de radio cognitiva primero escuchan el espectro asignado a los usuarios con licencia para detectar el estado de los usuarios con licencia. En función de los resultados de la detección, los usuarios de radio cognitiva deciden sus estrategias de transmisión. Si los usuarios con licencia no utilizan las bandas, los usuarios de radio cognitiva transmitirán a través de esas bandas. Si los usuarios con licencia están utilizando las bandas, los usuarios de radio cognitiva comparten las bandas del espectro con los usuarios con licencia restringiendo su potencia de transmisión.
• Intercambio de espectro habilitado para bases de datos , ^{[11] [12]} ,: ^[13] En esta modalidad de intercambio de 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 el riesgo de interferencia que representa para los servicios existentes un usuario de radio cognitiva que accede al espectro compartido. Si la base de datos de espacios en blanco considera 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 que la radio cognitiva era una extensión de radio definida por software (radio cognitiva completa), la mayor parte del trabajo de investigación se centra en la radio cognitiva con detección de espectro (particularmente en las bandas de televisión ). El principal problema de la radio cognitiva con detección de espectro es el diseño de dispositivos y algoritmos de detección de espectro de alta calidad para intercambiar datos de detección de espectro entre nodos. Se ha demostrado que un simple detector de energía no puede garantizar la detección precisa de la presencia de la señal, ^[14] lo que requiere técnicas de detección del espectro más sofisticadas y el intercambio regular de información sobre la detección del espectro entre nodos. Aumentar el número de nodos sensores que cooperan disminuye la probabilidad de detección falsa. ^[15]

Llenar las 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 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: ^{[16] [17]}

• Control de potencia : El control de potencia ^[18] se utiliza normalmente en sistemas CR de compartición de espectro para maximizar la capacidad de los usuarios secundarios con restricciones de potencia de interferencia para proteger a los usuarios primarios.
• Detección de espectro : Detectar espectro no utilizado y compartirlo, sin interferencias perjudiciales para 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 de espectro se pueden agrupar en tres categorías:
  • Detección del transmisor : las radios cognitivas deben tener la capacidad de determinar si una señal de un transmisor primario está presente localmente en un espectro determinado. Hay varios enfoques propuestos para la detección de transmisores:
    • Detección de filtros coincidentes
    • 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. ^[19] Este enfoque de detección de señales es bastante fácil y conveniente para su implementación práctica. Sin embargo, para implementar el detector de energía, se requiere información sobre la variación del 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 SNR por debajo del cual el detector de energía no puede detectar de forma fiable ninguna señal transmitida, incluso aumentando el tiempo de observación. ^{[20] [21]} 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 del ruido mientras aumenta el tiempo de observación.
    • Detección de características cicloestacionarias : este tipo de algoritmos de detección de espectro están motivados porque la mayoría de las señales de comunicación creadas por el hombre, como BPSK , QPSK , AM , OFDM , etc., exhiben un comportamiento cicloestacionario. ^[22] Sin embargo, las señales de ruido (típicamente ruido blanco ) no exhiben un comportamiento cicloestacionario. Estos detectores son resistentes 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 ruido. Su principal parámetro de decisión es comparar los valores distintos de cero obtenidos por CSD de la señal primaria. ^[23] Los detectores cicloestacionarios pueden ser cicloestacionarios de un solo ciclo o de ciclos múltiples.
• Detección de espectro de banda ancha : se refiere a la detección de espectro en un gran ancho de banda espectral, normalmente cientos de MHz o incluso varios GHz. Dado que la tecnología ADC actual no puede permitirse una alta velocidad de muestreo con alta resolución, requiere técnicas revolucionarias, por ejemplo, detección de compresión y muestreo sub-Nyquist. ^[24]
  • 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 ^[25]
  • Detección basada en interferencias
• CR basada 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 posterior causa menos interferencia al usuario principal.
• Gestión del espectro : Capturar el mejor espectro disponible para satisfacer los requisitos de comunicación de los usuarios, sin crear interferencias indebidas a otros usuarios (principales). Las radios cognitivas deberían decidir cuál es la mejor banda de espectro (de todas las bandas disponibles) para cumplir con los requisitos de calidad del servicio ; por lo tanto, se requieren funciones de gestión del espectro para las radios cognitivas. Las funciones de gestión del espectro se clasifican en:
  • Análisis de espectro
  • Decisión de espectro ^{[26] [27]}

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 lo segundo se ejemplifica por la necesidad de cumplir con las reglas y regulaciones establecidas para el acceso al espectro radioeléctrico en la legislación internacional (regulaciones de radio de la UIT) y nacional (ley de telecomunicaciones). . Un algoritmo basado en inteligencia artificial para la asignación dinámica del espectro y la gestión de interferencias con el fin de reducir las interferencias perjudiciales a otros servicios y redes será un facilitador tecnológico clave hacia 6G. Esto allanará el camino para una mayor flexibilidad en la gestión y regulación del espectro radioeléctrico. ^{[28] [29]}

Antena inteligente (IA)

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

Tenga en cuenta que ambas técnicas se pueden combinar como se ilustra en muchos escenarios de transmisión contemporáneos. ^[30]

MIMO cooperativo (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; En la práctica, por razones de propagación y otras razones, es finito debido a la conveniencia de ciertas porciones del espectro. El espectro asignado está lejos de ser utilizado plenamente y su uso eficiente es una preocupación creciente; CR ofrece una solución a este problema. Un CR puede detectar de forma inteligente si alguna porción del espectro está en uso y puede usarlo temporalmente sin interferir con las transmisiones de otros usuarios. ^[31] Según Bruce Fette, "Algunas de las otras capacidades cognitivas de la radio incluyen determinar su ubicación, detectar el uso del espectro por dispositivos vecinos, cambiar la frecuencia, ajustar la potencia de salida o incluso alterar los parámetros y características de la transmisión. Todas estas capacidades, y otras más que se realizará, 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 e integral 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 ^{[32] [33]}
• El potencial de las redes CR para ejecutar acceso dinámico al espectro (DSA) ^{[34] [35]}
• 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 selección de objetivos. ^[36]
• También han demostrado ser útiles para establecer redes de áreas médicas del cuerpo ^[23] que pueden utilizarse en la monitorización omnipresente de pacientes 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 la sangre y el electrocardiograma (ECG). ), etc. Esto proporciona la ventaja adicional de reducir el riesgo de infecciones y también aumenta la movilidad del paciente.
• La radio cognitiva también es práctica para redes de sensores inalámbricos, donde la retransmisión de paquetes puede realizarse utilizando colas primarias y secundarias para reenviar paquetes sin demoras y con un consumo mínimo de energía. ^[37]

Simulación de redes CR

En la actualidad, el modelado y la simulación es el único paradigma que permite la simulación de comportamientos complejos en redes de radio cognitivas de un entorno determinado. Se pueden utilizar simuladores de red como OPNET , NetSim, MATLAB y ns2 para simular una red de radio cognitiva. CogNS ^[38] es un marco de simulación de código abierto basado en NS2 para redes de radio cognitivas. Las áreas de investigación que utilizan simuladores de redes incluyen:

1. Detección de espectro y detección de titular
2. Asignación de espectro
3. Medición y/o modelización del uso del espectro ^{[39] [40]}
4. Eficiencia de la utilización del espectro ^{[39] [40]}

Network Simulator 3 (ns-3) también es una opción viable para simular CR. ^[41] ns-3 también se puede utilizar para emular y experimentar redes CR con la ayuda de hardware básico como dispositivos WiFi Atheros. ^[41]

Planes futuros

El éxito de la banda sin licencia al adaptarse a una variedad de dispositivos y servicios inalámbricos ha llevado a la FCC a considerar abrir más bandas para uso sin licencia. Por el contrario, las bandas licenciadas están subutilizadas debido a la asignación estática de frecuencias. Al darse cuenta de que la tecnología CR tiene el potencial de explotar las bandas licenciadas utilizadas de manera ineficiente sin causar interferencias a los usuarios actuales, la FCC publicó un Aviso de propuesta de reglamentación que permitiría que las radios sin licencia operen 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 de área regional inalámbricas (basadas en sensores CR) para la operación de dispositivos sin licencia en el espectro asignado al servicio de televisión. ^[42] Para cumplir con las regulaciones posteriores de la FCC sobre la utilización sin licencia del espectro de TV, el IEEE 802.22 ha definido interfaces para la base de datos obligatoria de espacios en blanco de TV para evitar interferencias a los servicios existentes. ^[43] Aunque las bases de datos de geolocalización del espectro permiten reducir la complejidad del receptor y la probabilidad de interferencia, por ejemplo debido a errores de detección o nodos ocultos, esto tiene el costo de una menor eficiencia en la utilización del espectro, ya que las bases de datos no pueden capturar una cuantificación detallada del espectro. utilización y no se actualizan en tiempo real. La detección colaborativa y la gestión distribuida del espectro basada en inteligencia artificial podrían contribuir en el futuro a lograr un mejor equilibrio entre la eficiencia en la utilización del espectro y la mitigación de interferencias. ^[44]

Ver también

• Esquemas de asignación de canales
• Programación dependiente del canal
• Red cognitiva
• LTE Avanzado
• Simulador de red
• OFDMA
• Gestión de recursos radioeléctricos (RRM)
• Espacios en blanco (radio)
• Espacios en blanco (base de datos)
• Radio definida por software

Referencias

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enlaces externos

• Taller de radio cognitiva del Berkeley Wireless Research Center: primer taller sobre radio cognitiva; su atención se centró principalmente en cuestiones de investigación dentro del tema
• Centro de Telecomunicaciones Inalámbricas (CWT), Virginia Tech
• Procedimiento de tecnologías de radio cognitivas de la Comisión Federal de Comunicaciones - Normas de la Comisión Federal de Comunicaciones sobre radio cognitiva
• Conferencia IEEE DySPAN