1

1. KOGNITIVNI RADIO - UVOD

Termin „kognitivni radio“ (eng. Cognitive Radio - CR) prvi je definisao Joseph Mitola 1999. god.

Danas je to posebno aktuelno istraživačko područje zahvaljujući potencijalu CR da riješi mnoge od problema u funkcionisanju današnjih radio-komunikacionih sistema, od kojih je najvažniji problem nedovoljne iskorištenosti radio-frekvencijskog (RF) spektra.

Potreba za CR generisana je kompleksnošću radio-sistema. Postojanje softverski definisanog radija (eng. Software Defined Radio-SDR)1 koji omogućava implementiranje praktično neograničenog broja različitih talasnih oblika sa različitim modulacionim šemama, nivoima snage, kodovima za kontrolu grešaka, nosećim frekvencijama, itd. znači da upravljanje radijom u ovom slučaju postaje problem kombinatoričke optimizacije. Ovakvi problemi su računarski zahtjevni i vode do rješenja baziranih na metaheuristici - optimizacionoj metodi zasnovanoj na jednostavnoj pretrazi prostora sa potencijalnim rješenjima vođenoj od strane entiteta sa višim nivoom. Primjena metaheuristike, koja često vodi do učenja i inovacije, karakteristika je metoda vještačke inteligencije. U ovoj oblasti postoji mnogo prostora za multidisciplinarno istraživanje pa razvoj CR predstavlja jednu od najzanimljivijih oblasti radio-komunikacija i telekomunikacionih sistema danas.

Paradoks koji se javlja prilikom korištenja RF spektra je da su sva prava i licence za korištenje su u potpunosti statički dodijeljene,

SDR je radio u kome su neke (ili čak sve) funkcije fizičkog OSI sloja softverski definisane, tj. implementacija radnih funkcija u radio uređaju ili sistemu se obavlja primjenom softverske obrade.

2

dok mjerenja pokazuju da veliki dio RF spektra (i u vremenskom i u geografskom domenu) ostaje praktično neiskorišten (slike 1.1 i 1.2).

Slika 1.1 Prikaz ukupnog zauzeća spektra u opsegu 0-3 GHz u zavisnosti od vremena,usrednjeno na intervalu od 6 dana.

Slika 1.2 Prikaz spektralnog iskorištenja u TV UHF opsegu na tri različite lokacije (predgrađa Brna i Pariza i centar Pariza); i komparativni prikaz spektralne iskorištenosti za ove 3 lokacije.

Sa trenutnim (statičkim) modelom upravljanja spektrom veoma je teško učiniti neiskorišteni dio spektra dostupnim. Postoji zahtjev

3

za dinamičkim pristupom spektru (eng. Dynamic Spectrum Access-DSA) i dinamičkim modelom upravljanja spektrom koji bi podržavao takav pristup, tj. potrebno je prilagoditi i međusobno uskladiti nacionalne i međunarodne regulatorne okvire za upravljanje RF spektrom. DSA je zasnovan na principu da sistemi samostalno rasuđuju o lokalnoj upotrebi spektra (oportunistički pristup spektru, eng. Opportunistic Spectrum Access-OSA) i za cilj ima omogućavanje dostupnosti spektralnih šupljina sekundarnim korisnicima. Sekundarno u ovom kontekstu znači da se slobodni opsezi mogu koristiti sve dok se ne stvara štetna interferencija prema primarnim korisnicima koji imaju prioritet u pristupu spektru.

Prema definiciji Mitole, CR tehnologija je „tačka u kojoj se spajaju bežična tehnologija i vještačka inteligencija“, a CR je definisan kao „inteligentan radio koji ima podatke o RF spektru, korisniku, kao i o radio okruženju.“

Zavisno od implementiranog stepena inteligencije, odnosno nivoa kognitivnosti, CR se uobičajeno dijeli na dvije vrste: kognitivni radio u širem smislu i kognitivni radio u užem smislu.

CR u širem smislu - idealni kognitivni radio (eng. ideal Cognitive Radio - iCR) ili tzv. „Mitola“ radio je radio koji se prilagođava svom korisniku i uslovima u kanalu, pa i mreži, odnosno mrežnom operateru. Ovakva kognitivnost podrazumijeva podjelu na 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 razumijevanjem i učenjem. iCR ima bazu znanja koju postepeno sam usavršava, sposoban je da reaguje na okruženje, da uči i da primjenjuje iskustvene podatke.

4

Pri tome, moguć je i scenario rada u kojem se na osnovu biometrijskih podataka prepoznaje korisnik i na osnovu toga mu se dozvoljava određeni nivo pristupa ili pomoć u komunikaciji, npr. pozivanje hitne službe, prepoznavanje i prilagođavanje navikama i sl. Idealni kognitivni radio („Mitola – radio“) je znatno šira vizija inteligentnog radio-sistema koji se može očekivati tek u budućnosti.

CR u užem smislu podrazumijeva manji nivo kognicije od iCR i prilagođava se samo uslovima u kanalu, odnosno posmatra se kao sredstvo za ispunjenje cilja dinamičkog pristupa spektru. Iako u literaturi postoji mnogo definicija, sve one se mogu sumirati na sljedeći način:

Na osnovu definicije Haykina, CR je inteligentni bežični komunikacioni sistem koji je svjestan svoga okruženja, uči iz njega i u realnom vremenu se prilagođava slučajnim varijacijama dolaznog signala, mijenjajući na odgovarajući način određene radne parametre (kao što su predajna snaga, frekvencija nosioca, tip modulacije, itd.) težeći da ispuni sljedeća dva osnovna cilja:

- visoko pouzdana komunikacija u bilo kojem trenutku i pod bilo kojim uslovima

- efikasno korišćenje radio-spektra.

Ključne karakteristike CR (u užem smislu) su njegove sposobnosti da prepozna neiskorištene dijelove spektra koji je licenciran primarnim korisnicima i da prilagodi strategiju komunikacije minimizirajući interferenciju koju sekundarni korisnici stvaraju primarnim korisnicima korištenjem tih dijelova spektra. Najveći problemi sa kojima se CR susreće su dizajn visoko kvalitetnih uređaja za nadgledanje (sensing) spektra i algoritama za razmjenu relevantnih podataka o spektru između čvorova u kognitivnom radio-sistemu.

5

Koncept kognitivnog radija može se proširiti na mrežu (kognitivnu bežičnu mrežu, eng. Cognitive Wireless Network-CWN) koja predstavlja korak ka hibridu ad hoc i fiksnih bežičnih mreža sa tzv. ”samosvjesnošću”, povećanoj spektralnoj efikasnosti, određenom stepenu „pamćenja“ u mreži i distribuiranom mašinskom učenju.

Slika 1.3 Raspodjela resursa u CR

6

2. KARAKTERISTIKE KOGNITIVNIH RADIO-

SISTEMA

2.1 Istorijat

Za razliku od konvencionalnog radija čija istorija počinje pionirskim radovima Tesle i Marconija, razvoj kognitivnog radija je još uvijek na konceptualnom nivou. Kao početak se može smatrati prvi članak o kognitivnom radiju koji su objavili Joseph Mitola i Gerald Maguire 1999. godine, odnosno Mitolina doktorska disertacija „Cognitive Radio An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio”, u kojoj se kognitivni radio posmatra kao prirodno proširenje koncepta SDR.

Sljedeći važan događaj u istoriji kognitivnih radio-sistema je dokument savezne komisije

za komunikacije SAD-a (eng. Federal Communications Commission- FCC), objavljen 2002. godine, u kojem se otvara pitanje dodjele slobodnih TV opsega nelicenciranim servisima na pod uslovom da oni ne stvaraju štetnu interferenciju. Ovakav pristup FCC je pojednostavljena forma Mitola-radija, gdje se samo dešavanja u radio-spektru uzimaju u obzir prilikom odlučivanja o budućim primopredajnim parametrima, a proces adaptacije je ograničen na fizički sloj. 2003. godine FCC objavljuje dokument u kojem se predlaže model temperature interferencije za kvantizaciju, metriku i upravljanje interferencijom; iste godine se dozvoljava bežičnim korisnicima da dijele frekvencijske kanale sa radarskim sistemima na LBT (Listen Before Talk) principu. FCC prepoznaje da su CR tehnike buduće podloge koje će stimulisati puni razvoj „otvorenog spektra“ (FCC docket 03-108 i 04-186), gdje se CR definišu kao uređaji koji posuđuju spektar na privremenoj bazi, bez generisanja štetne interferencije. Konačno, u novembru 2008.god. FCC odobrava korištenje tzv. bijelog TV prostora ( docket 08-260).

Paralelno sa FCC, od strane IEEE je prepoznat potencijal CR pa konceptima vezanim za

CR pokušava vratiti originalno značenje. Jedna od prvih i trenutno najvažnija institucija je IEEE komitet za koordinaciju standarda 41 (IEEE Standard Coordination Committee 41-IEEE SCC41) koji je naslijedio IEEE P1900 komitet za standardizaciju radija sljedeće generacije i napredno upravljanje spektrom. U okviru IEEE SCC41 djeluje šest radnih grupa IEEE 1900.x, koje rade na standardizacionom procesu za različite aspekte DSA. Takođe, radi se na donošenju IEEE 802.22 WRAN standarda za nelicencirani pristup u TV opsegu.

7

2.2 Definicije

Pored već spomenutih definicija koje su dali Mitola i Haykin, u literaturi se često navode sljedeće definicije za kognitivni radio: FCC - „radio koji može mijenjati svoje predajne parametre na osnovu interakcije sa okruženjem u kojem se nalazi.“ IEEE-USA - “RF primopredajnik dizajniran da inteligentno otkrije da li je određeni dio RF spektra u upotrebi, da veoma brzo pređe u područje privremeno neiskorištenog sprektra, bez ometanja prenosa drugih, ovlašćenih korisnika. CR je relativno nova tehnologija tako da mora biti odgovoreno na tehnička i regulatorna pitanja prije nego što se nastavi puna implementacija.“ Intel - „radio koji automatski pronalazi i pristupa neiskorištenom spektru u različitim mrežama (licenciranim i nelicenciranim), uključujući osobine optimizacije i adaptacije. Optimizacija: pronaći najbolji link (u vremenu i u prostoru) baziran na korisničkim zahtjevima (npr. cijena po jedinici korisnog propusnog opsega, kašnjenje, itd). Neprekidno prilagođavanje: neprimjetan prelazak kroz različite mreže i uslove, uvijek održavajući najbolji mogući link.“ Dr. Paul Kolodzy - “CR ima mogućnost da postane svjestan svog okruženja i da formira „mišljenje” na osnovu te svjesnosti.... i da djeluje na osnovu tog „mišljenja“.“ SDR Forum - „pristup u projektovanju bežičnih sistema, gdje su radio, radio-mreža ili bežični sistem obdareni sa svješću, razumom i sposobnošću da naprave i sprovedu izbor radnih aspekata.“ IEEE 1900.1 - (a) „tip radija u kome su komunikacioni sistemi svjesni svog okruženja i internog stanja i koji mogu donositi odluke o ponašanju radio-operacija na osnovu te svjesnosti i unaprijed definisanih ciljeva. “ (b) „kognitivni radio (definisan pod (a)) koristi softverski definisan radio, adaptivni radio i ostale tehnologije da automatski prilagodi svoje ponašanje i operacije u svrhu ispunjenja željenih ciljeva.“ Na osnovu prethodnog, može se zaključiti da kognitivna radio-funkcionalnost zahtijeva najmanje sljedeće sposobnosti:

• Fleksibilnost i agilnost - mogućnost trenutne i neprimjetne promjene operacionih parametara. Puna fleksibilnost je moguća kada je CR izgrađen nad SDR. Takođe važan zahtjev za fleksibilnost je korištenje tehnologije širokopojasnih smart antena.

• Posmatranje - sposobnost nadgledanja i mjerenja stanja okruženja, uključujući spektralnu zauzetost.

• Učenje i prilagodljivost-mogućnost analize posmatranog ulaza, prepoznavanja obrazaca i mijenjanje internog radnog ponašanja bazirano na analizi nove situacije, ne samo na zadatim algoritmima već i kao rezultat mehanizma učenja.

8

2.3 Mogućnosti primjene kognitivnih radio-sistema

U nastavku je dat pregled mogućih primjena kognitivnih radio-sistema za krajnje korisnike, uzimajući u obzir i neke karakteristike idealnog kognitivnog radija. Izvršena je podjela prema različitim hijerarhijskim sektorima.

Privatni sektor

Kućno i porodično okruženje. Tehnologija je sastavni dio modernog života u kojem nestaje granica između radnog i slobodnog vremena. Na primjer, ako je potrebno započeti i održati sastanak tokom puta na posao, kognitivne sposobnosti mogu obezbjediti odgovarajući opseg za održavanje željene komunikacije. Ovo se može postići identifikovanjem i iskorištavanjem dostupnih fr. opsega, npr. korištenjem spektra policijskih frekvencija, slobodnih TV opsega i sl. Školsko okruženje. Sigurnost u školskom okruženju je od velike važnosti. Kognitivni radio na ovom području može ponuditi inteligentno praćenje i obavještavanje o kretanju djeteta. Uređaj za praćenje može biti povezan sa hitnim kanalom koji bi se aktivirao kada se detektuju određene situacije. Radno okruženje. U ovom okruženju CR može dati prioritet mrežnim radio-konekcijama na osnovu predefinisanog statusa prioriteta. Pristup mreži i radio-spektru može varirati u zavisnosti od vremena, lokacije ili ranga zaposlenika. Svjesnost prostornog okruženja. Određivanje lokacije ili profila terena koji okružuje komunikacioni link može značajno poboljšati komunikaciju. Handover. Efikasan mehanizam handovera neophodan je za nesmetanu komunikaciju. Kognitivni radio može iskoristiti svoju inteligenciju uz poznavanje lokacije da bi predvidio mogući handover i preduzeo odgovarajuću akciju za njegovo izvršenje. QoS upravljanje. Kognitivne funkcije mogu zadovoljiti specificiran QoS obezbjeđujući prioritet konekcijama kao npr. odbacujući streaming audio-signala u slučaju dolaznog poziva; optimizirajući primopredajno vrijeme kao npr. izvršavanje uploada/downloada dok je dostupna širokopojasna konekcija i niske cijene. CR može takođe degradirati podržane usluge u skladu sa promjenama kvaliteta linka i redukcijom potrošnje baterije. Komunikacija sa postojećim nekognitivnim servisima. Značajna osobina kognitivnog radija je da može raditi u bilo kojoj mreži i sa bilo kojim servisima, iako oni nisu kognitivni. Inerfejs između čovjeka i mašine. Prvi kognitivni koncept jeste upravo autonomna interakcija između komunikacionog uređaja i njegovog korisnika. Korisnikom se može smatrati čovjek sa mobilnim telefonom, životinja opremljena senzorom ili bilo koji drugi entitet opremljen kognitivnim čvorom. Neke CR primjene su sljedeće: autentikacija korisnika (kognitivni radio može biti ″svjestan″ jedinstvene identifikacione osobine korisnika), prepoznavanje emocija korisnika, poništavanje šuma (CR može detektovati šum okruženja oko prijemnika i primjeniti tehnike poništavanja šuma da bi se podesio i održao

9

željeni kvalitet signala), korisničke navike (CR može učiti o navikama svog korisnika kao što su najčešće birani brojevi na telefonu, najčešće posjećivane Internet stranice i najčešće posjećivane geografske lokacije da bi ih iskoristio u cilju poboljšanja kvaliteta komunikacije).

Sektor službi javne sigurnosti Primjena CR u javnoj sigurnosti i situacijama elementarnih nepogoda i vanrednih situacija može donijeti značajne poboljšanje kvaliteta rada spasilačkih službi. Tokom elementarne nepogode ćelijska mreža može biti neoperativna, a frekvencijski opseg javne sigurnosti može biti prezasićen. U takvoj sitaciji, kognitivni radio može iskoristiti licencirane i nelicencirane spektralne šupljine i heterogene mrežne komponente da bi se kreirala i održala privremena hitna konekcija. Kognitivne sposobnosti mogu prevazići probleme uzrokovane kvarovima na infrastrukturi mreže. Kognitivni radio-uređaj može pokušati pronaći druge kognitivne radio-uređaje da bi konstruisali ad hoc mrežu preko koje bi se uspjelo pristupiti uređajima koji su izvan zone pokrivanja. Ova mreža može pomoći spasilačkim timovima tako što će detektovati čvorove, odnosno njihove korisnike koje spasilački timovi inače ne mogu pronaći. Pored kvara na infrastrukturi, u slučaju nepogode dolazi do dramatičnog mijenjanja okruženja i uslova koji direktno utiču na prostiranje signala. Zabilježeni su nestanci bežičnih konekcija tokom operacija spasavanja zbog grupisane velike količine betona i željeza, kao i zbog velike količine čestica prašine u vazduhu. Ako je CR opremljen sa relevantnim modelima kanala u kojima se opisuje ovakvo stanje, tada jedostavna promjena SDR parametara može dovesti do smanjenja broja odbačenih bežičnih konekcija. Takođe, u takvim situacijama može biti aktivirana neka vrsta signala za pomoć. U proteklim godinama je dokazano da su komunikacioni sistemi u značajnom broju slučajeva zakazali kada su bili najpotrebniji. Razlozi za ovo su djelomično ili potpuno uništenje komunikacione infrastrukture, ekstremne promjene propagacionog okruženja i prezasićenje. Kognitivni radio može riješiti ove probleme tako što će bolje iskoristiti spektar i uspostaviti relejnu ad hoc komunikaciju kada je to potrebno. U slučaju požara, za komunikacione uređaje zahtjeva se rad pod ekstremno visokim temperaturama i visokom vlažnošću. Takođe se zahtjeva efikasno korištenje izvora napajanja. Kognitivni radio na ovom području može pomoći poboljšavanjem komunikacije i koordinacije između vatrogasnih službi. Distribuiraju se podaci o okruženju kao što su temperatura, brzina i smjer vjetra, nivoi hemijskih elemenata u vazduhu, 3D modeli zgrada, lokacije hidranata, itd. Ovi podaci trebaju biti dostavljeni vatrogascima i spasilačkim timovima na pouzdan i efikasan način kroz nestabilan bežični kanal, pri čemu kognitivni radio može biti od velike pomoći. Prilikom potrage i spašavanja informacija o lokaciji koju obezbjeđuje CR može pomoći da bi se odredila odgovarajuća pozicija osobe za kojom se traga. CR može naći primjenu i u policijskim službama, gdje bi obezbjeđivao brz i efikasan pristup velikoj količini policijskih dosijea.

Vladin sektor

Kontrola saobraćaja. Primjena kognitivnog radija u saobraćaju može donijeti višestruke koristi. Saobraćajna kontrola može izvještavati mobilnog korisnika o saobraćajnim zagušenjima, predviđenom vremenu kašnjenja i alternativnim rutama. Interesantna je i primjena u samim vozilima, odnosno njihovo

10

opremanje određenim stepenom kognitivnosti. Tako npr. CR u vozilu može pratiti saobraćajne znakove radi prilagođenja vožnje uslovima na putu, automatski obavještavati hitne službe u slučaju nezgode, uspostavljati ad hoc mrežu koja će obavještavati vozače o nailasku drugog vozila i vjerovatnoći nezgode i slično. Medicinske primjene. U bolničkom okruženju, svaki pacijent može biti opremljen sa ličnim kognitivnim ID tagom. Kognitivni tag bilježi vitalne znakove pacijenta i informiše odgovarajući autoritet periodično ili ako se detektuje bitna promijena. U hitnim medicinskim servisima postoji potreba za transferom informacija o pacijentu sa terena u kontrolisano okruženje. Ove informacije uključuju video i audio prenose i moraju biti prenesene na brz i pouzdan način, u čemu CR nudi značajnu prednost u odnosu na ostale sisteme. CR može igrati važnu ulogu u pomoći slijepim osobama. Kognitivni radio može zamjeniti njihove vodiče sa inteligencijom koja izvršava zadatke kao što su pronalaženje sigurnih površina za kretanje, određivanje vremena za siguran prelazak preko ulice i skiciranje, odnosno sugerisanje putanje do željenog odredišta. Primjene u prirodnom okruženju. Senzori i mreže senzora mogu imati zadatak detektovanja vremenskih parametara kao što su temperatura, brzina vjetra, vazdušni pritisak i vlažnost vazduha. Ako ti senzori imaju kognitivne sposobnosti, mogu komunicirati jedni sa drugima i kada je prikupljena odgovarjuća količina informacija, ona se proslijeđuje u centar za obradu ovih podataka i prognozu vremena. CR se može iskoristiti za praćenje životinja tokom njihovog života u svrhu proučavanja ugroženih vrsta. CR može detektovati i inteligentno obavještavati odgovarjuće autoriteta. Primjena u vojne svrhe. SDR, SPEAKeasy, Joint Tactical Radio Syistem (JTRS) i sistemi za ometanje su neke od važnijih tehnologija u vojnim primjenama koje koriste CR koncepte. Sposobnost komuniciranja i uništavanja neprijateljske komunikacije je veoma važna u modernoj vojsci. Efikasan rad ometača zavisi od svjesnosti o neprijateljskom signalu, odnosno njegovom talasnom obliku. Sa druge strane, potrebno je zaštititi vlastitu komunikaciju od neprijateljskih ometača. Kognitivni radio iz presretnutog neprijateljskog signala može indentifikovati tip signala (jedan ili više nosilaca, frekvencijsko skakanje, CDMA, uskopojasni ili širokopojasni signal), modulaciju signala (QAM, OFDM, itd.), zauzeti opseg, frekvenciju nosioca, broj signala u posmatranom opsegu, statistike signala (vremenske, prostorne i frekvencijske) i vršiti estimaciju lokacije radio izvora (neprijateljskog ometača ili signala).

11

2.4. Softverski definisan radio - SDR

Osnovne funkcije softverski definisanog radija su: • podrška za prenos u različitim frekvencijskim opsezima (npr. ćelijski

opseg, ISM opseg, TV opseg) • podrška za različite standarde (GSM, WCDMA, cdma2000, WiMAX,

WiFi) • podrška za različite vrste usluga, npr. mobilna telefonija, bežični pristup • mogućnost istovremenog rada u različitim frekvencijskim opsezima.

Kognitivni radio-sistemi predstavljaju evoluciju SDR i može se

konstatovati da je SDR ključna tehnologija koja omogućava CR. Najjednostavniji model kognitivnog radio-sistema sadrži SDR, kognitivni stroj, senzorske i funkcionalnosti viših slojeva.

2.4.1 Idealna SDR arhitektura

Osnovna ideja softverski definisanog radija je da se odmjeravanje i A/D konverzija signala vrši odmah nakon RF pojačavača sa malim šumom (eng. Low Noise Amplifier-LNA). Ovim se postiže da se (skoro) kompletna obrada signala sprovodi u digitalnom domenu, čime se dobija tražena fleksibilnost i minijaturizacija. Takođe je važno spomenuti da je najvažniji dio SDR prijemni dio, a razlog za to je sljedeći: osnovnu razliku između konvencionalnog i SDR radija predstavljaju metode rekonstrukcije željenog signala.

Slika 2.1 Struktura tradicionalnog heterodinog radio prijemnika

12

Slika 2.2 Struktura idealnog SDR prijemnika

Mjesto realizacije A/D (D/A) konverzije određuje stepen rekonfigurabilnosti radija.

Kod tradicionalnog radio-prijemnika, filtriranje, pojačanje i konverzija u osnovni

opseg se vrše analognim kolima, nakon čega se realizuje A/D konverzija. Može postojati nekoliko nivoa međufrekvencijskog (IF) pojačanja, što zahtijeva nekoliko IF filtara, čime se stvara problem minijaturizacije terminala.

Sa druge strane, kod idealnog SDR prijemnika postoje dva velika praktična izazova.

Prvo, tranzicija od hardverske na softversku obradu rezultuje povećanjem broja

računarskih operacija, što uzrokuje povećanu potrošnju. Ovo je jedan razlog zbog

kojeg SDR nije još uveden u krajnje korisničke uređaje, već se primjenjuje u baznim

stanicama i pristupnim tačkama, koje mogu iskoristiti prednost vanjskih izvora

napajanja.

Drugi izazov je zahtjev za veoma visokom frekvencijom i rezolucijom odmjeravanja. Na primjer, za korektan prijem signala frekvencije 10 GHz potrebna je frekvencija odmjeravanja od 20 milijardi uzoraka u sekundi (Gsps). Ovaj zahtjev postaje još strožiji kod kognitivnog radija, jer se javlja potreba za skeniranjem čitavog spektra frekvencija sve do milimetarskih opsega. Trenutno je neizvodljivo (po razumnoj cijeni) vršenje A/D konverzije signala neposredno nakon antenske sekcije.

Dekoder

13

2.4.2 Praktična SDR arhitektura Imajući u vidu pomenuta ograničenja, idealne SDR arhitekture su skupe. Ipak, u praksi postoje različite SDR implementacije koje prevazilaze ta ograničenja. Kompromis je postignut zadržavanjem analognog dijela koji translira primljeni signal u međufrekvencijski opseg, nakon čega se vrši A/D konverzija. Jedan takav primjer (SDR arhitektura za WiMAX mreže) dat je na sljedećoj slici:

Slika 2.3 Praktična SDR arhitektura

Kompromis koji koristi međufrekvencijsko odmjeravanje je atraktivno rješenje. Nakon filtriranja i pojačanja sa LNA (Low Noise Amplifier), RF signal se prebacuje u međufrekvencijski opseg korištenjem softverski podesivog brojača na dole-downconvertora (ST-DC). Ovo spuštanje frekvencije se može sprovesti u više nivoa. Tipičan konvertor se sastoji od podesivih kontrolera pojačanja, mješača i sintetizatora takta.Takođe, može sadržati vanjski podesive IF filtre zbog podrške za različite frekvencijske opsege. Softversko podešavanje analognih komponenti je provedeno korištenjem programabilnog namjenskog hardvera (eng. Application Specific Integrated Circuit-ASIC). Ovo podešavanje se provodi tako što digitalni radio preko serijskih vanjskih interfejsa upisuje konfiguracione parametre u odgovarajuće registre ugrađene u same komponente.

Sa predajne strane, D/A konvertor (DAC) stvara odgovarajući analogni signal koji se zatim pretvara u konačni RF oblik korištenjem ST-UC konvertora. Na kraju se vrši pojačanje snage, dupleksiranje i predaja. Rekonfigurabilni digitalni radio uglavnom generiše i demoduliše OFDM talasne oblike i kontroliše rad ostalih radio

14

komponenti. Ova jedinica koristi procesore opšte namjene (eng. General Purpose Processor-GPP), digitalne procesore signala (DSP) ili FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) kola. U nastavku je dat kratak pregled osobina i aspekata primjene pomenutih kola.

2.4.3 Računarski resursi u SDR

Mogu se definisati dvije grupe računarskih tehnologija u SDR: tradicionalna, u kojoj se zahtjevi algoritma preslikavaju u fiksni skup hardverskih resursa (DSP, ASIC, FPGA) i adaptivna, bazirana na preslikavanju dinamičkih hardverskih resursa u dinamičke zahtjeve algoritma (GPP, PicoArray, ACM). GPP procesori uglavnom izvršavaju korisničke aplikacije i komunikacione protokole visokog nivoa. Podržavaju širok izbor načina adresiranja, cjelobrojne i operacije sa pokretnim zarezom i veliku memoriju sa nekoliko nivoa keš memorije. Trenutno su sposobni izvoditi nekoliko milijardi matematičkih operacija u sekundi (mops)1, neki od primjera koji se koriste su OMAP, ARM-11, Intel, Marvel, Freescale i IBM Power PC. Ovi procesori izvršavaju nekoliko instrukcija paralelno, tipično, izračunavanje efektivne adrese paralelno sa aritmetičkim i logičkim izračunavanjima. Procesiranje talasnog oblika predstavlja više od 90% od ukupnog računarskog opterećenja, dok se 90% linija koda odnosi na protokole u datim mrežama. Imajući ovo u vidu, od velike je važnosti prilikom projektovanja SDR iskoristiti hardver DSP i FPGA tipa za računske operacije, a GPP za obradu protokol steka. Većina GPP je bazirana na Von Neumann arhitekturi, ali neki koriste i Harvard arhitekturu (instrukcije i podaci su smješteni u različite memorije). Osnovni nedostaci ove vrste procesora su: mali korisni propusni opseg (zbog toga što se svi podaci prenose preko procesorske magistrale), velika potrošnja energije, velika cijena i velike dimenzije. Sa druge strane, potencijalne prednosti koje bi kognitivni radio-sistemi imali od njih su: eksperimentisanje (lako testiranje novih algoritama i protokola), brz ciklus razvoja (softversko dodavanje novih uređaja ili poboljšanja), uska integracija među aplikacijama (radio sloj sa višim slojevima), višestruka namjena (softversko dodavanje fax,VoIP,itd. servisa). DSP procesore možemo posmatrati kao poseban slučaj GPP, specijalizovane za obradu signala. Podržavaju dodatne specijalizovane funkcije kao što je Multiply-ACcummulate2, kružno pomjeranje (barrel shifter), višestruke memorijske blokove sa odgovarajućim magistralama, itd. Većina DSP procesora koristi modifikovanu Harvard arhitekturu, gdje se u toku jednog takt ciklusa može istovremeno pristupiti jednom ili više podataka i instrukciji. Brzina izvršavanja je oko 1 G (600 M za

1 mops odnosi se na broj matematičkih operacija potrebnih za izvršavanje algoritma, ne uključujući operacije izračunavanja memorijskog offseta, brojače u petljama, kontrolu prekoračenja,itd. 2 MAC u digitalnoj obradi signala je operacija sabiranja proizvoda sa prethodnom vrijednošću akumulatora i smještanje u akumulator,a←a+(b*c)

15

operacije sa pokretnim zarezom) MAC operacija u sekundi i do 8 Gmops. Imaju manji broj jednostavnijih načina adresiranja. Nedostaci su: nemogućnost podrške za složene algoritme (multitask), niske performanse (serijska priroda obrade), fiksna arhitektura. Prednosti koje nude DSP procesori su: niska cijena, mala potrošnja, male dimenzije, visoka rekonfigurabilnost. FPGA kola se sastoje od polja konfigurabilnih logičkih blokova (CLB) i prekidača (gejtova) između svakog od njih. Za implementaciju određenog algoritma potrebno je podesiti svaki blok, a zatim prekidače. Kako FPGA polje može sadržati do 10 miliona prekidača, klasično podešavanje (u C jeziku) prekidača je nemoguće, te je potrebno koristiti hardverske opisne jezike kao što su VHDL i Verilog pomoću kojih se definiše logički dizajn. Ovaj dizajn se uzima kao ulaz u proizvođačkom softveru, nakon čega se dobija izlaz koji konfiguriše prekidače. Veoma složeno podešavanje i održavanje je jedan od osnovnih nedostataka, pored kojeg su još: velika potrošnja energije, velika cijena. Zauzvrat, FPGA kola nude veoma visoke performanse i visok nivo rekonfigurabilnosti. SDR se trenutno koristi kao podrška za višestruke interfejse (npr. CDMA, GSM, WiFi) u jednom modemu koji se rekonfigurše softverski. Prvi primjeri ovog tipa radija su SPEAKeasy I i SPEAKeasy II, razvijeni za potrebe vojske SAD, sa ciljem da omoguće komunikaciju između deset različitih vrsta radija iz svih rodova i vidova vojske. Rapidnim razvojem elektronike, SDR se počeo širiti na komercijalno tržište, uglavnom u vidu baznih stanica sa softverskom implementacijom BTS (Base Transceiver Station), BSC (Base Station Controller), and TRAU (Transcoder and Rate Adaptation Unit) modula BSS podsistema. Neki primjeri ovakvih baznih stanica su Anywave i AS.Max (sa podrškom za WiMAX). Zbog velikih računarskih zahtjeva, SDR tehnologija je uvedena u uređaje u kojima veličina i potrošnja energije nisu kritični zahtjevi, kao što su bazne stanice i uređaji u vozilima. Postoji potreba da se u budućnosti ova tehnologija uvede i u prenosive i ručne uređaje kako bi se krajnjem korisniku obezbijedio povećan broj servisa, kao i neprimjetan roaming. Kako nove platforme za obradu signala sve više prevazilaze probleme vezane za potrošnju i dimenzije, veoma je vjerovatno da će se SDR naći i u ručnim uređajima (po nekim predviđanjima 2015. godine).

2.5 Arhitektura kognitivnog radio-sistema

Prema definiciji Mitole, arhitektura je sveobuhvatan i konzistentan skup pravila projektovanja kojima se datom skupu komponenti dodjeljuje odgovarajući skup funkcija u proizvodima i uslugama koje evoluiraju tokom vremena. On definiše pet komplementarnih perspektiva arhitekture, nazvanih CRA1 I, II, III, IV i V. Na sl 2.4 je predstavljena CRA I, kao minimalan skup komponenti iCR arhitekture na funkcionalnom nivou apstrakcije.

1 CRA –Cognitive Radio Architecture

16

Ostale arhitekture su CRA II-kognitivni ciklus, CRA III-nivoi apstrakcije za elementarne senzorne pobude i doživljavanje aspekata QoS, CRA IV-matematička struktura prethodne arhitekture i CRA V- izgradnja CRA na SDR arhitekturi.

Slika 2.4 CRA I: minimalna arhitektura adaptivnog,svjesnog,kognitivnog radija (iCR)

Arhitekture konvencionalnih komunikacionih sistema su definisane i

standardizovane korištenjem sedam ISO/OSI slojeva. Iako se kognitivni radio-sistemi prilično razlikuju od tradicionalnih bežičnih sitema, CR je baziran na OSI metodologiji. Prednost ovakvog pristupa je mogućnost unapređenja postojećih slojeva konvencionalnih radija sa novim kognitivnim funkcionalnostima. Generička strukturna arhitektura je data na sl.2.5, dok je na sl.2.6 data slojevita verzija ove arhitekture. Posmatraju se samo fizički (PHY) i sloj voda podataka (Data Link).

Korisnik

Okruženje

Radio mreže

Ostale mreže

Funkcije korisničkog

interfejsa

Funkcije senzora okruženja

Funkcije aktuatora

Aplikacije

Kognitivne funkcije

Funkcije softverski

definisanog radija

17

Slika 2.5 Generička arhitektura kognitivnog radio-sistema, baziranog na SDR

Na sl. 2.5 unutar isprekidane linije se nalazi modul prijemnika, dok ostatak predstavlja modul predajnika. Prvi blok je širokopojasna antena, koja kontroliše ukupni frekvencijski opseg u kojem će CR raditi. Ovaj opseg je podijeljen u N sektora, od kojih je svaki dodijeljen posebnom SDR modulu. Razlog za upotrebu nekoliko paralelnih SDR modula je taj što postoji potreba za obradom velike količine podataka prije nego što se donese bilo kakva „inteligentna“ odluka; ovakvim pristupom se može smanjiti računarsko opterećenje (sektori koji trenutno nisu od interesa se ne obrađuju i ukupno opterećenje po modulu se smanjuje N puta), odnosno vrijeme obrade. Višestruki antenski niz je poželjan, jer prostorno formiranje može poboljšati prostornu rezoluciju i efikasnost detekcije prilikom izvođenja kognitivnih algoritama.. Duplekser kontroliše dijeljenje antene između prijemnih i predajnih signala. Izlazni podaci iz SDR modula se vode u jedinicu za stvaranje inteligentnih odluka o ovim podacima. Ove odluke uključuju izbor i kombinaciju detektovanih informacija, da bi se dobio željeni informacioni izlaz. Adaptivni sintetizator generiše odgovarajuću lokalnu noseću frekvenciju za modulacioni i proces podizanja međufrekvencije. Za te postupke je potrebna informacija od IPD (Incumbent Profile Detection) modula koja obezbjeđuje trenutnu raspodjelu nosećih frekvencija, vremenske tabele raspodjele spektralnih licenci i njhovih profila predajne snage. Ova informacija je ključna za podešavanje korektnog nivoa predajne snage, tako da transmisija kognitivnog radija ne smeta postojećim primarnim korisnicima. Slične funkcije se izvode u modulu „vremenskog prekidača“, koji se brine da se transmisije obavljaju samo u vremenskim slotovima kada je posmatrani dio spektra slobodan.

18

Slika 2.6 Slojevita arhitektura radija sa sl 2.5

Skeniranje spektra je najvažnija funkcija fizičkog sloja, zato što je CR komunikacija strogo uslovljena pouzdanom detekcijom prisustva/odsustva primarnih korisnika. Kao rezultat, CR mora skenirati veoma širok frekvencijski opseg i realizovati česta mjerenja aktivnosti primarnih korisnika nadgledanjem spektra (spectrum sensing). Čak i u distribuiranim pristupima nadgledanja spektra pomoću baza podataka i pilot signala, pojedinačno nadgledanje spektra povećava robusnost na promjene u okruženju jer daje pravovremenu informaciju o zauzetosti spektra. Očitavanja iz ovog nadgledanja određuju radne cikluse svake noseće frekvencije, tako da se obezbijedi odgovarajući vremenski slot i noseća frekvencija za prenos podataka. Postoji potreba da CR čvorovi razmjenjuju ove lokalne informacije u cilju optimalne detekcije primarnih korisnika, kao i korektne estimacije ukupne interferencije grupe sekundarnih korisnika.

Mjerenja kanala (channel measurement) se koriste za određivanje kvaliteta kanala koji će se dijeliti sa primarnim korisnicima.

Sljedeći važan blok fizičkog sloja je blok za prenos podataka (data transmission), u kojem se opisuju sposobnosti za rad sa promjenljivim brzinama prenosa, tipovi modulacije, šeme kodovanja, nivoi predajne snage, itd. Takođe se opisuje rad sa MIMO sistemima zbog smanjenja prostorne interferencije i povećanja korisnog propusnog opsega multipleksiranjem; kao i korištenje OFDM tehnika za dalje povećanje efikasnosti propusnog opsega i detekcije. Osnovne funkcije ostala dva bloka (detekcija primarnog korisnika i kontrola nivoa predajne snage) su već spomenute.

Sloj voda podataka se sastoji od tri glavna bloka protokola: za upravljanje grupom, za upravljanje linkom i MAC (Media Access Control). Pretpostavlja se da se sekundarni korisnici grupišu u grupe na osnovu određenih kriterijuma. Protokoli za upravljanje grupom se koriste za koordinaciju korisnika unutar grupe i pružanje informacija o grupi.

19

Protokoli upravljanja linkom se brinu o uspostavljanju i održavanju linka tokom komunikacione sesije na osnovu podataka dobijenih od skeniranja spektra i IPD bloka. Protokoli kontrole pristupa mediju (MAC) odlučuju o načinima pristupa kanalu, zavisno od rasporeda dijeljenih kanala u kojima se nalaze primarni korisnici. Podsloj konvergencije u data link sloju obezbjeđuje mehanizam za koordinaciju rada CR u različitim mrežnim okruženjima, kao što su WWAN, WLAN, WPAN, itd. Sličan primjer ove arhitekture je predložio Haykin, gdje se vrši integracija kognitivnih čvorova u kognitivne mreže preko neke vrste univerzalnog upravljačkog kanala (Universal Control Channel-UCC), i gdje se korisnik posmatra kao kontekstualni upravljački sloj. .

2.5.1 Kognitivni ciklus

Na sl.2.7 je predstavljen kognitivni ciklus kao glavna apstraktna komponenta kognitivnog radio-sistema.

Slika 2.7 Kognitivni ciklus

ORIJENTACIJA

PLANIRANJE

POSMATRANJE UČENJE

AKCIJA

OKRUŽENJE

PRETHODNO STANJE

NOVO STANJE

USPOSTAVLJANJE PRIORITETA

ODLUČIVANJE

NORMALAN

HITAN

NEODLOŽAN Stvaranje alternativa Procjena alternativa

Usklađivanje u vremenu

Dodjela resursa

Početak procesa

Prikaz

Prijem poruke

Očitavanje komandi

Predobrada

Raščlanivanje

Zaključivanje o kontekstu

Pamćenje konteksta

Slanje poruke

20

Ovaj ciklus prikazuje djelovanje iCR kao inteligentnog agenta1, razdvajajući proaktivno djelovanje (planiranje) od reaktivnog djelovanja i učenja. Pobuda se unosi u ciklus preko senzorske percepcije (pozicija, kretanje, temperatura, vid, govor), a detekcija promjene na objektnom nivou (prisustvo nove mreže u RF domenu, novi objekt u vizuelnoj sceni, nova tema od interesa u govornom domenu) inicira kognitivni ciklus. iCR kontinualno posmatra (očitava i „doživljava“) okruženje, orijentiše se, planira, odlučuje, a zatim djeluje.

Djelovanje može biti fizičko, kao što je emitovanje signala, ili virtualno, kao što je

asocijacija djelovanja korisnika u datoj situaciji. Mogu se posmatrati korisničke akcije da bi se formirala makro-sekvenca koja bi se mogla primjeniti u sličnim situacijama u budućnosti; npr. bežična razmjena vizit-karti kad se preko govora detektuje upoznavanje. U fazi posmatranja simultano se primaju višestruke pobude i povezuju u podskupove radi lakšeg tumačenja konteksta. iCR neprekidno uvećava iskustvo poredeći prethodna stanja sa trenutnom situacijom, pri tome detektujući nove pobude. Orjentisanje se odnosi na određivanje značaja opservacije, poredeći trenutni skup pobuda sa prethodnom „scenom“. U ovoj fazi se mogu dodijeliti različiti prioriteti toka kognitivnog ciklusa. Tako npr. ako dođe do nestanka napajanja, direktno se prelazi na akciju (snimanje podataka), preskačući faze planiranja i odlučivanja; gubitak signala urokuje hitnu preraspodjelu resursa (prelazak na drugi link) bez planiranja. Kod normalnog prioriteta, svaka dolazna poruka uzrokuje planiranje. Odlučivanje vrši izbor između planova kandidata, a djelovanje inicira odabrani proces preko aktuatorskih modula. Učenje možemo predstaviti kao funkciju od prethodno spomenutih faza.

Opisan je kognitivni ciklus tokom perioda kada je iCR „budan“ (Wake Epoch); postoje još

period „spavanja“ (Sleep Epoch) u kojem se radio ne koristi ali se vrši obrada uzoraka, samostalno učenje i organizacija, i tzv. Prayer Epoch tokom kojeg se dešava interakcija sa nekim višim autoritetom (kognitivnom mrežom ili regulatornim agentom) u pogledu ograničenja, savjetovanja ili rješavanja problema koje nije moguće sprovesti lokalno.

Haykin predlaže arhitekturu za kognitivni radio u užem smislu, gdje posmatra ciklus na

drugačiji način - ne kao korake koje zahtjeva svaka nova pobuda iz okruženja, već kao neprekidni proces sa tri ključna elementa, sl. 2.8:

1 inteligentni agent u ovom kontekstu podrazumijeva sposobnosti interakcije sa okruženjem u svrhu povećanja vjerovatnoće postizanja određenog cilja (ciljeva).

21

Slika 2.8 Kognitivni ciklus za DSA kognitivni radio

Elementi arhitekture su:

1. Analiza radio-scene (spektra) koja uključuje nadgledanje spektra, detekciju spektralnih šupljina i estimaciju nivoa interferencije (temperature interferencije) radio okruženja.

2. Identifikacija kanala koja obuhvata estimaciju stanja kanala i predikciju kapaciteta kanala. 3. Kontrola predajne snage i upravljanje spektrom.

Zadaci 1. i 2. se obavljaju u prijemniku, a zadatak 3. u predajniku, te je očigledno da je

između njih potreban kanal povratne veze. Zavisno od dobijenih podataka o raspoloživosti spektra, opsezi se opisuju kao „crni“, „sivi“

ili „bijeli“. Oni kanali u kojima je skoro uvijek prisutan signal velike snage su crni. Kanali kod kojih je snaga primarnih korisnika niža ili su oni samo manji dio vremena aktivni su sivi kanali. Bijeli su oni kanali u kojima ne postoje drugi interferirajući signali, već samo šum sredine. Nakon ove klasifikacije se vrše estimacije interferencije i stanja kanala.

RADIO OKRUŽENJE

ANALIZA RADIO-SCENE

ESTIMACIJA I MODELOVANJE

KANALA

KONTROLA PREDAJNE SNAGE I UPRAVLJANJE SPEKTROM

Akcija: emitovanje signala

Spektralne šupljine Statistike šuma i saobraćaja

Kvantizovan kapacitet kanala

RF pobuda

Temperatura (nivo) interferencije

22

3. NADGLEDANJE I ANALIZA RADIO-SPEKTRA

3.1 Nadgledanje radio-spektra (Spectrum Sensing)

Pouzdano funkcionisanje kognitivnih radio-sistema bazirano je na preciznom detektovanju spektralnih šupljina na OSI sloju veze, što nadgledanju spektra daje kritičnu ulogu u projektovanju i implementaciji ovih sistema. Sekundarni korisnik treba posmatrati spektar, brzo iskoristiti priliku kad detektuje spektralnu šupljinu i brzo osloboditi zauzeti opseg čim se pojavi primarni korisnik. Prvi zadatak u kognitivnom ciklusu je nadgledanje radio-spektra tj. detekcija signala koji su („značajno“) prisutni.

Senzor spektra u osnovi izvodi test binarne hipoteze postoji li ili ne signal primarnog

korisnika u određenom kanalu:

[ ][ ][ ] [ ] [ ]

0

1

, n=1,2,...,N

w n Hy n

h n s n w n H

=

∗ + (3.1)

gdje je y[n] primljeni signal, s[n] poslani signal primarnog korisnika, w[n] aditivni bijeli Gausov šum (eng. Additive White Gaussian Noise-AWGN), h[n] impulsni odziv kanala i N interval (broj tačaka) posmatranja. H0 je hipoteza da primarni korisnik nije prisutan, a H1 hipoteza da je primarni korisnik prisutan u posmatranom kanalu. Zbog aditivnog šuma, ograničenog intervala posmatranja i slučajne prirode posmatranih podataka, greške detekcije su neizbježne. Performanse tehnike nadgledanja se mogu mjeriti vjerovatnoćom detekcije Pd=Podluka H1|H1, vjerovatnoćom lažnog alarma Pf=Podluka H1|H0 i vjerovatnoćom greške(katastrofe) Pm=Podluka H0|H1. U nastavku je dat pregled najčešćih tehnika nadgledanja spektra.

3.1.1 Detekcija energije

Kada je signal primarnog korisnika nepoznat, metoda detekcije energije je optimalna za otkrivanje bilo kakvog signala i može se adekvatno primjeniti u kognitivnim radio-sistemima. U ovom pristupu RF energija ili indikator snage prijemnog signala (eng. Received Signal Strength

23

Indicator-RSSI) se mjere tokom vremena opservacije. Primljeni signal se kvadrira i integrira na intervalu posmatranja, nakon čega se poredi sa postavljenim pragom odlučivanja:

[ ]

2

01

1

, ako je

, inače .

N

n

H y n

H

λ=

≤∑ , (3.2)

gdje je λ prag odlučivanja. U slučaju kada je signal i šum stacionarni bijeli Gausovi procesi nulte srednje vrijednosti sa varijansama σs

2 i σw2, respektivno, metrika odlučivanja Σ|y|2 se može modelovati kao χ2

raspodjela sa 2N stepena slobode, a vjerovatnoće detekcije, lažnog alarma i greške se mogu pisati kao:

1

1 2 2

0

1 1( ) ( , )

2 ( 1)! ! 2 2

kx nn

d unk

P x x e dx e nn k

λ

λ

λ λλ

∞ −− −−

=

≥ = = = Γ

− ∑∫ (3.3)

( )

2

2

,

1 , , snr=1

f u

sm u

w

P n n

nP n

snr

λ

σλ

σ

= Γ

= − Γ

+

(3.4)

gdje je Γu gornja nekompletna gama funkcija, definisana sa: 11( , )

( )n x

u

a

a n x e dxn

∞− −Γ =

Γ ∫ .

U slučaju da je y[n] nenulte srednje vrijednosti, vjerovatnoća detekcije se računa kao:

( , 2 ),d n

P Q nµ λ= (3.5)

2 2

222

1

211

1 je = ( ) parametar necentralizovanosti,

2

1a ( , ) generalizovana Marcumova Q funkcija ( , ) ( )

n

iw

x a

n

n n nn

b

gdje s in

Q a b Q a b x e I ax dxa

µσ =

∞ +−

−−=

∑

∫

In je modifikovana Besselova funkcija prve vrste, reda n. U slučaju fedinga, SNR µ je slučajna promjenljiva pa se računa očekivanje (srednja vrijednost) vjerovatnoće detekcije, što zahtijeva poznavanje funkcije raspodjele gustine SNR. Sa aspekta implementacije, postoji različit broj opcija za senzore bazirane na detekciji energije. Analogna implementacija zahtijeva analogni predfiltar propusnik opsega fiksne širine, što predstavlja priličan problem prilikom simultanog posmatranja uskopojasnih i širokopojasnih signala, što je slučaj kod CR. Digitalna implementacija nudi više fleksibilnosti zbog korištenja spektralnih procjena baziranih na

24

FFT1, jer je promjena frekvencijske rezolucije FFT, odnosno broja tačaka ekvivalentna mijenjanju propusnog opsega predfiltra. Ako snaga šuma ima vrijednosti iz opsega od 0 do x dB, za pouzdan rad se zahtjeva da SNR bude veći od tzv. SNR zida: 10log10x/10-1. Potreban broj odbiraka pri kome se postiže željena vjerovatnoća uspješne detekcije je (pri niskim SNR <<1, okvirno od -10 dB do -40dB) srazmjeran sa 1/SNR2, što je mnogo nepovoljnije nego kod optimalnog prijemnika. Dakle, potrebno je znatno duže vrijeme za detekciju signala, ali je zato ovakav detektor vrlo otporan na frekvencijski pomak signala. Drugi nedostatak je nemogućnost razlikovanja tipa signala (primarnog od sekundarnog korisnika) u istom kanalu. Takođe je potrebno poznavati SNR da bi se postavio prag odlučivanja, a problem je i nemoguća detekcija signala sa proširenim spektrom ukoliko je njihov nivo iznad praga odlučivanja. Sa druge strane,ova metoda nudi veliku jednostavnost realizacije.

3.1.2 Prilagođeni filtri Ovaj metod je optimalan za detekciju kada postoji a priori znanje o signalu primarnog korisnika na fizičkom i na MAC OSI sloju. Prilagođeni filtar koreliše poznati signal sa primljenim nepoznatim signalom (konvolucija nepoznatog signala sa vremenski pomjerenim poznatim signalom). Izlaz iz filtra se zatim poredi sa zadanim pragom odlučivanja. Glavna prednost ove metode je koherentna priroda, odnosno malo vrijeme postizanja zadate vjerovatnoće detekcije u poređenju sa ostalim metodama detekcije (potreban broj uzoraka za detekciju pri malim SNR je srazmjeran sa 1/SNR). Odlučivanje prilagođenim filtrima je pogodno samo u slučaju kada su poznati pilot-signal, preambule, sinhronizacione riječi, ili kodovi za širenje spektra primarnog signala, koji se mogu iskoristiti za pravljenje šablona za odlučivanje. Prilagođeni filtri su dosta uobičajeni u klasičnim komunikacijama, dok je njihovo prisustvo u kognitivnim radio-sistemima ograničeno. Razlozi za to su sljedeći: prvo, potreba za poznavanjem signala primarnog korisnika - u slučaju CR zbog velikog broja različitih tipova primarnih korisnika, neće uvijek biti moguće imati bazu svih oblika signala, što vodi ka potrebi presretanja i demodulacije signala. Drugo, u ovom slučaju, kognitivni radio treba poseban prijemnik za svaki tip primarnog sistema, što dramatično usložnjava realizaciju. Treće, velika potrošnja energije zbog izvršavanja velikog broja algoritama za detekciju.

3.1.3 Ciklostacionarna detekcija

Ideja ciklostacionarne detekcije je iskorištavanje ugrađenih periodičnosti modulisanih signala, kao što su: sinusni nosioci, povorke impulsa, ponavljanje sekvenci za širenje spektra, frekvencija skakanja, cikličkih prefiksa, kao i periodičnosti njegovih statistika (srednja vrijednost i autokorelacija). Za signal kažemo da je ciklostacionaran (u širem smislu) ako je njegova autokorelacija periodična funkcija vremena sa nekim periodom. Osnovna prednost ove vrste detekcije je da može razlikovati šum od signala primarnog korisnika, što je posljedica činjenice da je šum stacionaran u širem smislu, te da ne 1 FFT (Fast Fourier Transform) je algoritam za brzo izračunavanje vrijednosti diskretne Fourierove transformacije

(DFT),21

0

, 0,1,... 1jN kn

Nk n

n

X x e k N

π− −

=

= = −∑ ,preduslov je da broj tačaka N na kojima se vrši FFT bude stepen broja dva, broj

operacija je smanjen od N2 (DFT) na NlogN (FFT).

25

posjeduje korelaciju. Ciklostacionarna detekcija se izvodi tako što se prvo računa ciklična autokorelaciona funkcija (CAF) Rx(τ) posmatranog signala x(t):

2

2

2

1( ) lim ,

2 2

T

j t

xT

T

R x t x t e dtT

α πατ ττ −

→∞

−

= + −

∫ (3.6)

gdje je α ciklična frekvencija, koja može biti unaprijed zadata ili detektovana. Imajući na umu poznati transformacioni par: autokorelacija i spektralna gustina snage, analogno se računa funkcija ciklične spektralne gustine (CSD) ili spektralna korelaciona funkcija (SCF) kao diskretna Fourierova transformacija CAF:

2( , ) ( ) .j f

x xS f R eα π τ

τ

α τ∞

−

=−∞

= ∑ (3.7)

Ova funkcija daje vršne vrijednosti kada se ciklična frekvencija α poklapa sa fundamentalnim frekvencijama posmatranog signala x(n), tako da se detekcija završava tražeći α kojoj odgovara vrh u ravni CSD. Lako je primjetiti da je spektralna gustina snage specijalan slučaj ciklične spektralne gustine za α=0. Na slici 3.1 dati su prikazi prirodne i matematičke spektralne korelacione funkcije za IEEE 802.11 a/g OFDM signale sa smetnjama u vidu transmisija od Bluetooth uređaja. Bluetooth frekvencijsko skakanje varira snagu, što je vidljivo na slici pod a.) za α=0, za α= 1MHz (zbog simbolske brzine od 1 MHz) se vide jačine Bluetooth signala, centrirane na svakoj od posmatranih frekvencija skakanja. Sa druge strane, OFDM signali imaju dosta vidljive snage na obe slike, naročito se dobro vidi prisustvo četiri korelisana BPSK podnosioca razmaknuta za 4.375 MHz na cikličnim frekvencijama 4.25, 4.5, 8.75, 13.0 i 13.25 MHz.

Slika 3.1 Spektralne korelacione funkcije u prisustvu 802.11 a/g i Bluetooth signala u kanalu

Pored sposobnosti razlikovanja signala od šuma, prednost ove vrste detekcije je i veća robusnost na varijacije šuma i mogućnost rada pri nižim SNR (čak i pri SNR[dB]<0) od metode detekcije energije. Ipak, implementacija ciklostacionarne detekcije je dosta složenija i zahtijeva veći period posmatranja od detekcije energije, što predstavlja problem u slučaju spektralnih šupljina kraćeg trajanja. Na slici 3.2 su prikazane simulirane i snimljene spektralne gustine snage i spektralne korelacione funkcije CDMA signala, koji može biti pouzdano detektovan uprkos lošim uslovima u kanalu.

26

Slika 3.2 Spektralna gustina snage i spektralna korelaciona funkcija CDMA signala

Wavelet1 detekcija

Za detekciju širokopojasnih signala, wavelet pristup nudi prednosti u pogledu troškova implementacije i fleksibilnosti u odnosu na konvencionalne višestrukee (uskopojasne) filtare propusnika opsega.

Vršenjem wavelet transformacije spektralne gustine snage posmatranog signala, moguće je pronaći singularitete u frekvencijskom domenu, a tim i slobodne frekvencijske opsege.

Kritičan izazov u sprovođenju wavelet detekcije je zahtjev za veoma visokom frekvencijom odmjeravanja da bi se mogao adekvatno opisati širokopojasni propusni opseg.

1 Wavelet transformacija koja se koristi kod analize nestacionarnih signala (multirezolucione analize), kad Fourierova transformacija nije dovoljna za opis (spektar signala se mijenja tokom vremena). Ideja je da se signal posmatra (množi) sa prozorskom (wavelet) funkcijom i određuje spektar koji se „vidi“ kroz taj prozor. Prozori su skalirane i pomjerene verzije osnovnog i „uski“ (kratkog trajanja) su na visokim frekvencijama, a „široki“ na niskim-posmatranje signala na različitim skalama i sa različitim rezolucijama.

27

Svaka od prethodno nabrojanih metoda ima svoje mane i prednosti, te je prilikom izbora potrebno napraviti kompromis između njih, u zavisnosti od specifičnosti primjene. Takođe je veoma pogodno implementirati neku vrstu hibridne detekcije kombinovanjem dvije ili više metoda. Npr. „fast and fine sensing”, gdje se detektorom energije samo utvrđuje prisustvo signala a zatim npr. prilagođenim filtrom fina analiza detektovanog signala primarnog korisnika. Na sljedećim slikama je ilustrovano poređenje performansi nekih metoda detekcije (Pd-vjerovatnoća detekcije, Pfa-vjerovatnoća lažnog alarma, ED-detekcija energije, MF-prilagođeni filtri, SD i MD-ciklostacionarni detektori) za digitalni TV signal i BPSK signal:

Slika 3.3 Poređenje performansi detekcije digitalnog TV (prva kolona) i BPSK signala (druga kolona)

28

3.2 Kooperativno nadgledanje spektra

3.2.1 Problemi lokalne detekcije

Kognitivni radio ne smije ometati komunikaciju primarnog korisnika i zato je pouzdanost detekcije od presudne važnosti. Performanse lokalnog detektora mogu biti značajno degradirane zbog slabljenja ili maskiranja signala, tj. neke greške u radu senzora. Postoji mnogo načina za pojavu greške - dovoljno je da kognitivni predajnik bude u sjenci ili u drugoj polarizacionoj ravni ili da se javi efekat prostiranja signala po više putanja. Jedan scenario u kojem se vide nedostaci lokalne detekcije dat je na slici 3.1:

Slika 3.1 Problem skrivenog terminala

Kognitivni radio-predajnik zbog npr. udaljenosti nije u stanju da detektuje predajnik primarnog signala, te započinje sa predajom, čime stvara štetnu interferenciju primarnom prijemniku. Kaže se da je primarni prijemnik skriven (eng. hidden terminal), pošto njegovo prisustvo prilikom prijema ne može biti detektovano od strane kognitivnog radija.

Pored ”hidden terminal” problema, u kognitivnom radio-okruženju, detekcija primarnih korisnika je otežana još zbog sljedećih razloga:

- Nestabilnost parametara kanala: nestabilnost u kanalu raste zbog dinamičkih varijacija kanalskog slabljenja i maskiranja. Snaga signala primarnog korisnika može biti manja od osjetljivosti detekcije zbog velikog slabljenja kada je primarni korisnik u dometu interferencije sekundarnog korisnika.

29

- Nestabilnost šuma: da bi se proračunala osjetljivost detekcije CR, potrebno je poznavati snagu šuma, što najčešće nije slučaj. Ova nestabilnost najviše utiče na degradiranje karakteristika kod metode detekcije energije.

- Nestabilnost zbirne interferencije: kada se mnogo nelicenciranih korisnika nalazi u istoj CR mreži, oni međusobno stvaraju interferenciju jedni prema drugima, što može dovesti do nemogućnosti detekcije primarnih korisnika. Kako njihov broj i primopredajni parametri nisu u potpunosti poznati svakom pojedinačnom sekundarnom korisniku, estimacija interferencije postaje veoma zahtjevna.

Pored pouzdanosti detekcije, treba voditi računa i o vremenu potrebnom za njeno izvršavanje, kako se ne bi dešavale situacije da sekundarni korisnik stvara interferenciju ka primarnom korisniku koji se pojavio u kanalu, a nije dovoljno brzo (unutar zadatog intervala) detektovan. Ovdje se može spomenuti razlika između aktivnog i reaktivnog nadgledanja, gdje se kod aktivnog nadgledanja spektar periodično posmatra, bez obzira na to da li je već u upotrebi od strane sekundarnog korisnika. Interval posmatranja zavisi od tolerancije QoS primarnog sistema, tako npr. kod digitalne TV se zahtijeva da se kanal nadgleda svake dvije sekunde, dok je kod paketskog višestrukog pristupa taj interval ograničen dužinom paketa i reda je milisekundi ili čak i manje. Da bi se prevazišli navedeni problemi u kognitivnim radio-mrežama, usvaja se kooperativna komunikaciona strategija-kooperativno nadgledanje radio-spektra.

3.2.2 Kooperativno nadgledanje

U ovakvom pristupu, više sekundarnih korisnika istovremeno nadgledaju ciljani dio spektra i međusobno razmjenjuju dobijene rezultate. Evidentno je da kooperativna šema zahtijeva postojanje kontrolnog kanala za međusobnu razmjenu podataka. Postoje dva pristupa: centralizovano i distribuirano kooperativno nadgledanje.

3.2.2.1 Centralizovano kooperativno nadgledanje U ovom pristupu, nelicencirani korisnici nadgledaju ciljane kanale i šalju dobijene rezultate centralnom kontroleru. Kontroler procesira ove rezultate i koristi ih za konačno donošenje odluka o pristupu za svakog sekundarnog korisnika. Kada se koristi najjednostavniji ”ili” detektor, vjerovatnoće lažnog alarma i greške su:

( )

11

1

1 1 , analogno se dobija:

.

k k

k

K K

f f f

kk

K

m m

k

P P P

P P

==

=

= − − ≈

=

∑∏

∏ (3.8)

U ovom slučaju vjerovatnoća detekcije povećava, ali se povećava i vjerovatnoća lažnog alarma, što vodi do neiskorištavanja mogućnosti za pristup spektru. Pretpostavljeno je da su vjerovatnoće lažnog alarma i greške K pojedinačnih korisnika Pf,m k dovoljno male da bi se mogla izvršiti aproksimacija. Pored potrebe za kontrolnim kanalom, zbog efikasnijeg upravljanja pristupom, pogodno je imati informacije o lokaciji sekundarnih korisnika. Takođe treba obratiti pažnju na kašnjenje: vrijeme potrebno

30

za nadgledanje kanala, slanje rezultata kontrolnom centru, odlučivanje o postojanju spektralne šupljine, i dodjelu pristupa; mora biti značajno manje od vremena za koje je kanal slobodan. Iako je intuitivno da ovakav pristup pomaže u smanjenju vjerovatnoća pogrešne detekcije i lažnog alarma (relacija 3.8), i da može riješiti problem skrivenog korisnika; rezultati iz literature, [3], pokazuju da distribuirano nadgledanje u pogledu performansi nadmašuje centralizovano nadgledanje. Osnovni razlozi za ovo su potreba za dodatnom mrežnom infrastrukturom i povećano komunikaciono zaglavlje kod centralizovanog nadgledanja.

3.2.2.2 Distribuirano kooperativno nadgledanje Kod distribuiranog nadgledanja, kognitivni čvorovi dijele informacije o spektru između sebe, ali samostalno donose odluke da li će i kom dijelu spektra pristupiti. Osnovna prednost je ta što ne postoji potreba za dodatnom infrastrukturom. Jedno predloženo rješenje za decentralizovano nadgledanje zasniva se na algoritmu diskretnog gossip protokola GUESS (Gossiping Updates for Efficient Spectrum Sensing). Pokazano je da je ovaj algoritam male složenosti i mrežnog zaglavlja, te da ima brzu konvergenciju i relativno velik stepen robusnosti na promjene u mreži. Princip rada je sljedeći: U toku svakog vremenskog slota, nelicencirani korisnik posmatra ciljani dio spektra. Zatim se slučajno bira jedan ili više susjednih korisnika i šalju im se rezultati nadgledanja (samo konačna odluka, H1 ili H2). Ovakva strategija rasijavanja podataka se naziva uniformni gossip. Samo određeni podskup nelicenciranih korisnika (eng. designated-naimenovanih) komuniciraju jedni sa drugima unutar jednog vremenskog slota. Korisnici koji su primili ove informacije postaju designated korisnici za sljedeći vremenski slot, itd., sve dok svi korisnici ne prime rezultate. Nakon toga, svaki korisnik donosi konačnu odluku kombinujući primljene rezultate sa vlastitim, najčešće pomoću jednostavnih algoritama, baziranih na „ili” operacijama. Još jedna interesantna tehnika za dobijanje informacija o RF spektru je eksterno nadgledanje, kod kojeg neki vanjski agent (npr. senzorska mreža) obavlja poslove nadgledanja, a potom emituje (broadcast) informacije o zauzetosti kanala svim kognitivnim radio-prijemnicima. Takođe postoji i model u kojem vanjski agent odlučuje o pristupu, npr. putem handshaking

1 mehanizma-dok god se detektuje aktivnost primarnog korisnika, odbijaju se zahtjevi za pristup posmatranom opsegu. Osnovne prednosti primjene vanjskog agenta su prevazilaženje problema skrivenog korisnika, povećana otpornost na slabljenje i maskiranje signala, te oslobađanje resursa kognitivnog radija, odnosno smanjenje cijene korisničkih uređaja. Nedostaci su pitanje infrastrukture senzorske mreže, kao i njenog napajanja. Eksterno nadgledanje je jedna od predloženih metoda za identifikaciju primarnih korisnika u dolazećem IEEE 802.22 WRAN standardu. Koristi se mreža jednostavih i jeftinih senzora da bi se otkrili primarni korisnici (TV prijemnici; ne vrše predaju signala pa ih je teško otkriti) na osnovu tzv. snage curenja lokalnog oscilatora (frekvencija curenja je oko 41 MHz iznad frekvencije trenutnog kanala). U cilju povećavanja efikasnosti upotrebe spektra, nelicencirani korisnici mogu održavati bazu podataka sa informacijama o korištenju spektra. Na osnovu geografskih i informacija o prethodnim

1 handshaking-automatski proces pregovora koji dinamički uspostavlja parametre komunikacionog kanala između dva entiteta prije nego što počne normalna komunikacija.

31

upotrebama se mogu koristiti algoritmi estimacije i predikcije da bi se lakše i brže pronašle prilike za pristup spektru.

3.3 Problemi interferencije u kognitivnim radio-sistemima Problemi interferencije, odnosno njenog izbjegavanja, usko su vezani za samu definiciju kognitivnog radija u užem smislu. Pogodno ih je klasifikovati prema tipovima kognitivnog ponašanja, odnosno načinima pristupa licenciranom dijelu spektra. To su:

• Overlay ili izbjegavanje interferencije. Kod ovakvog pristupa, sekundarni korisnici iskorištavaju primarni spektar bez stvaranja interferencije primarnim korisnicima. Sekundarni pristup spektru se ostvaruje na OFDMA, TDMA, FDMA ili neki drugi način koji će osigurati nesmetan rad primarnih korisnika. Stepen kognicije za ovakav pristup zahtijeva znanje o spektralnim (prostornim, vremenskim i frekvencijskim) šupljinama u primarnom opsegu i sposobnost prilagođenja vlastitih radnih parametara da bi se te šupljine ispunile.

• Underlay ili kontrolisanje i umanjivanje interferencije. U ovom pristupu, sekundarni korisnici istovremeno koriste spektar primarnih korisnika, na način da je interferencija od sekundarnih korisnika ograničena na prihvatljivi nivo. Ovaj nivo se određuje na osnovu QoS zahtjeva primarnih korisnika. Pristup se ostvaruje tehnikama prenosa sa proširenim spektrom. Potrebno je poznavanje prihvatljivih nivoa smetnje u dometu kognitivnog predajnika i stanja kanala.

Rješenje problema vezanih za interferenciju kod overlay pristupa se svodi na pouzdanu detekciju prisustva primarnih korisnika. Zbog trenutno strogih zahtjeva za garancijom detekcije i pri ekstremno niskim nivoima signala u uslovima jakog fadinga, preporučuje se kooperativna detekcija kao rješenje datih problema. Upotreba OFDM tehnologije i MIMO i smart antena takođe nudi značajno poboljšanje u izbjegavanju interferencije i povećanju spektralne efikasnosti. Problemi kod underlay pristupa mogu se posmatrati preko modela temperature interferencije, gdje se kognitivne sposobnosti koriste za kontrolu nivoa interferencije koju ”vide” primarni korisnici. Za korektnu predikciju interferencije na mjestu primarnog korisnika potrebno je poznavati stanje kanala. Sljedeća mogućnost je poznavanje lokacije sekundarnog korisnika. Poznavanje lokacije se može iskoristiti za usluge bazirane na lokaciji (pozicioniranje i praćenje), optimizaciju mreže, optimizaciju primopredajnih algoritama i karakterizaciju okruženja. Ova informacija donosi značajne beneficije u upravljanju interferencijom, iako se povećava složenost sistema (dizajn uređaja, računarski zahtjevi, centar za upravljanje informacijama, dodatni opseg za prenos informacije). Opravdanost ovakvog pristupa leži u činjenici da su komercijalno dostupne različite vrste tehnika pozicioniranja, npr. dobar dio savremenih bežičnih uređaja sadrži GPS module, kao i da njihova cijena opada sa vremenom. Naravno, GPS je samo jedno predloženo rješenje za dobijanje informacije o lokaciji; s obzirom na to da se lokacija može definisati na različite načine (apsolutna/relativna, fizička/logička, 1D, 2D, 3D, 4D), postoje različite metode za njeno određivanje, čije se mogućnosti primjene razmatraju.

32

Interesantan način kontrolisanja interferencije je tzv. oportunističko poništavanje interferencije, koji se u literaturi klasifikuje kao underlay pristup. Zamisao je da kognitivni čvorovi poznaju kodnu šemu primarnih korisnika, što im daje mogućnost dekodovanja primarne poruke i njenog oduzimanja od primljenog signala, čime se dobija samo poruka od sekundarnog predajnika. Takođe se razmatra sličan pristup, gdje bi kognitivni čvorovi po potrebi služili kao releji primarne poruke i tako poboljšali SNR kod primarnih prijemnika.

3.3.1 Temperatura interferencije

Trenutno je radio-okruženje orijentisano ka predajniku, u smislu da se predajna snaga projektuje tako da bude veća od propisanog praga šuma na određenoj udaljenosti od predajnika. Zbog nepredvidivog ponašanja izvora smetnje, moguće je da prag šuma poraste i prouzrokuje degradaciju pokrivenosti signalom. FCC je preporučila temperaturu interferencije (TI) kao novu metriku u procjeni smetnje, što predstavlja pomak ka saradnji između predajnika i prijemnika u realnom vremenu. Ova preporuka je donesena imajući na umu dva poboljšanja: TI kod prijemne antene obezbjeđuje pouzdanu mjeru prihvatljive smetnje u opsegu od interesa, svaka transmisija u tom opsegu će se smatrati štetnom ako podiže nivo šuma iznad limita TI-TL; ako u datom opsegu TL nije premašen, taj opseg može biti dostupan ostalim korisnicima. Da bi se zadovoljili zahtjevi za prihvatljivim (dozvoljenim) nivoom temperature interferencije, odnosno da bi se mogli podesiti predajni parametri, potrebno je da kognitivni korisnik poznaje sljedeće:

• Maksimalni nivo TI kod primarnog korisnika • Trenutni nivo TI • Koliko se njegove predajne snage prenese do primarnog korisnika (stanje kanala).

Koncept temperature interferencije je identičan konceptu temperature šuma: (N=B kTN). Temperatura interferencije se definiše kao:

[ ]( , )

( , ) ,I cI c

P f BT f B K

kB= (3.9)

gdje je ( , )I c

P f B prosječna snaga interferencije u opsegu B,centrirana oko c

f , k je Boltzmannova

konstanta, k=1.3807·10-23 [J/K]. Zamisao je da kognitivni radio jednim mjerenjem u potpunosti opiše i šum i interferenciju jednim brojem. TL je maksimalna količina podnošljive smetnje u datom frekvencijskom opsegu na određenoj lokaciji. Svaki nelicencirani korisnik koji koristi ovaj opseg mora garantovati da sa njegovom transmisijom dodanom postojećoj smetnji neće biti premašen limit temperature interferencije kod licenciranog prijemnika. Odgovor na pitanje koje i B koristiti, da li one koji opisuju nelicencirani primopredajnik ili licencirani prijemnik, vodi do dva modela temperature interferencije: idealnog (u kome je primarni signal poznat, a TI se posmatra na opsegu primarnog signala) i generalizovanog (primarni signal je nepoznat, a TI se posmatra na opsegu nelicenciranog signala).

33

Pretpostavimo da je nelicencirani korisnik srednje snage P, frekvencije fc na opsegu B. Takođe pretpostavimo da se opseg [fc- B/2, fc+ B/2] preklapa sa n licenciranih signala, frekvencija i opsega fi i Bi. U idealnom modelu cilj je garantovati nejednačinu:

( , ) ( ), 1,..., .iI i i L i

i

M PT f B T f i n

kB+ ≤ ∀ ∈ (3.10)

Konstanta Mi predstavlja multiplikativno slabljenje zbog fadinga i gubitka putanje od nelicenciranog predajnika do licenciranog prijemnika, [ ]0,1iM ∈ . Pošto je pretpostavljeno poznavanje

cf i B primarnog

signala, temperaturu interferencije možemo izračunati kao:

( 2 ) ( 2 )

( , )2

c cI c

P f B P f BT f B

kB

τ τ− − + + +≈ , (3.11)

gdje je τ sigurnosna margina od nekoliko kHz. Osnovna pretpostavka u generalizovanom modelu je da ne postoji znanje o parametrima primarnog signala. Zbog ovog nije moguće razlikovati primarne signale od smetnji i šuma, te je potrebno primijeniti TI model na čitav opseg, a ne samo na opseg gdje su detektovani primarni signali. Dobija se sljedeći uslov:

( , ) ( ), I c L c

M PT f B T f

kB+ ≤ (3.12)

Kombinovanjem relacija (3.10) i (3.12) i uz pretpostavku da je u odsustvu primarnog signala definisana temperatura termičkog šuma TN dobija se:

1 1

( )( ) , 1,..., .n n

L c i N j j j

j j

kBT f B B kBT B B P i n= =

− + ≤ ∀ ∈∑ ∑ (3.13)

Ako posmatramo samo jednog primarnig korisnika, nejednakost postaje:

1

1 1

L

N

kBT B

P kBT B B≤

− −. (3.14)

U nastavku slijedi nekoliko relacija koje opisuju izbor opsega i predajne snage da bi se zadovoljili određeni zahtjevi za kapacitetom, [9]. Kapacitet kanala opsega B je, prema Shannon-Hartleyevoj teoremi:

2log 1I L

LPC B

P P

= +

+ , (3.15)

gdje su P, PL, i PI srednje snage nelicenciranih, licenciranih korisnika i interferencije, respektivno. Konstanta L ima slično značenje kao i M, i ovdje predstavlja multiplikativni gubitak između nelicenciranog predajnika i nelicenciranog prijemnika. Maksimalna predajna snaga je:

max

max

, ( , ) 0

( , )min , min ( ( ) ( , )) , ( , ) 0

c

c iL i I i i c

i

P n f B

P f B B kP T f T f B n f B

M

∗

=

= − ≠

(3.16)

PL i PI računamo iz:

34

1

( , ) ( , ),

1( , )

I c I c

n

L c i i

i

P f B kbT f B

P f B PBB =

=

= ∑ (3.17)

Konačno, kapacitet (za idealni model) je:

2

( , )( , ) log 1

( , ) ( , )c

id c

I c L c

LP f BC f B B

P f B P f B

∗∗

= + +

. (3.18)

Funkcija kapaciteta nije striktno rastuća, pa može postojati više različitih opsega sa istim kapacitetom. Najbolji izbor je najmanji mogući opseg koji će zadovoljiti željeni kapacitet. Kao dodatak ovome, može se uvesti neka vrsta funkcije cijene koja će detektovati čvorove koji koriste ekstremno velike opsege. Smisao ove funkcije je izbjegavanje situacije, npr., utrostručavanja opsega zbog povećanja kapaciteta sa 100 Mbps na 105 Mbps, pri snazi interferencije -80 dBm.

3.3.2 Modelovanje kanala

Cilj modelovanja kanala je osmišljavanje i ocjenivanje metoda za ublažavnje faktora koji utiču na degradaciju performansi komunikacionih sistema putem predikcije i poređenja u realističnim uslovima. Za analizu interferencije i određivanje optimalnih lokacija za bazne stanice u kognitivnim radio-sistemima se uglavnom koriste već postojeći modeli kanala u bežičnim komunikacijama. Izbor odgovarajućeg modela kanala je veoma važan za korektno funkcionisanje svakog telekomunikaciong sistema. U nastavku je dat kratak pregled ovih modela. Kanal može biti opisan na velikoj i maloj skali. Propagacioni model velike skale opisuje snagu signala na velikim rastojanjima između predajnika i prijemnika i predviđa srednju snagu signala. Model male skale ili fading model opisuje brze fluktuacije snage primljenog signala na veoma kratkim putanjama signala (nekoliko talasnih dužina) ili veoma kratkim vremenima trajanja (reda nekoliko sekundi). U modelu velike skale razlikujemo dva oblika: fizičke i statističke modele. U fizičkom modelu se zahtjeva poznavanje tačne geometrije propagacionog okruženja. Ovaj model daje najpouzdaniju procjenu propagacionog ponašanja, ali je računarski veoma zahtjevan. Kada postoji optička vidljivost (eng. Line Of Sight-LOS) između predajnika i prijemnika, koristi se model propagacije u slobodnom prostoru. Relacija između predajne i prijemne snage je:

2

2( ) ,

(4 )t t r

r

PG GP d

d L

λ

π= (3.19)

gdje su: Pt i Pr predajna i prijemna snaga, d udaljenost između predajnika i prijemnika, Gt i Gr pojačanja predajne i prijemne antene, respektivno, λ je talasna dužina predanog signala i L je faktor gubitka sistema (gubici u antenama, gubici u filtrima, itd.), L≥1. Ovaj model se koristi za vrijednosti d koje su veće od

35

Fraunhoferove distance df=2D2/λ, gdje je D najveća linearna fizička dimenzija antene. Prijemna snaga u

zavisnosti od prijemne snage na nekoj referentnoj tački d0 je:

2

00 0( ) ( ) , .

r r f

dP d P d d d d

d

= ≤ ≤

(3.20)

U statističkom pristupu, propagacione karakteristike se empirijski aproksimiraju na osnovu mjerenja u nekoliko opštih tipova okruženja, najčešće su to: gradsko, predgradsko i ruralno. Postoje dvije komponente: jedna bazirana na procjeni prosječne snage gubitaka prenosnom putu (liniji) (Path Loss) i druga koja predstavlja lokalne varijacije. Prosječna snaga gubitaka na liniji je:

__ __

00

( ) ( ) 10 log ,L L

dP d P d n

d= + (3.21)

gdje je n eksponent gubitaka na liniji. Prosječna prijemna snaga će biti:

__ __

( ) ( ).r t LP d P P d= − (3.22)

Stvarni gubici, koji će varirati oko srednje vrijednosti __

( )L

P d se dobiju dodavanjem Xσ na srednju

vrijednost. Xσ je slučajna promjenljiva Gaussove raspodjele, nulte srednje vrijednosti i varijacije σ (tipične vrijednosti σ : 8-12 dB). Kod propagacionog modela male skale, modelovanje se vrši uzimajući u obzir višeputni fading, Dopplerov efekat i proširivanje usljed kašnjenja signala. Postoji nekoliko vrsta ovog modela, u zavisnosti od toga koji se efekti posmatraju. Kod podjele prema vrsti širenja imamo širenje u frekvenciji i širenje u vremenu. Proširivanje usljed kašnjenja uzrokuje širenje u vremenu i frekvencijski selektivni fading, a Dopplerov efekat uzrokuje širenje u frekvenciji i vremenski selektivni fading. Podjela na osnovu proširiravanja usljed kašnjenja rezultuje ravnim - flat (konstantni pojačanje i linearna faza impulsnog odziva kanala u opsegu većem od opsega transmitovanog signala) i frekvencijski selektivnim fadingom. Kod podjele na osnovu vrijednosti Dopplerovog širenja imamo brzi i spori fading. U slučaju brzog fadinga, impulsni odziv kanala se mijenja u toku trajanja simbola, dok se kod sporog fadinga odziv kanala može smatrati konstantnim u toku trajanja nekoliko simbola. Tri uobičajena statistička modela kanala male skale se opisuju sa Rayleighovom, Riceovom i Nakagami-m raspodjelom. U Rayleighovom modelu kanala ne postoji optička vidljivost između predajnika i prijemnika (NLOS) a funkcija gustine vjerovatnoće, koja opisuje amplitudu primljenog signala je:

2

222

, 0( )

0, <0

x

X

xe x

f x

x

σ

σ

− ≤ ≤ ∞

=

, (3.23)

gdje je 2σ2=1/2[E(x2)] srednja snaga primljenog signala. Funkcija gustine vjerovatnoće snage primljenog

signala je :

36

21( ) ,

p

PP

f p e PP

σ−

= = . (3.24)

Ako postoji LOS putanja, funkcija gustine vjerovatnoće amplitude primljenog signala je data Riceovom raspodjelom:

2 20

2 0202 2

( ) , x a

X

a xxf x e Iσ

σ σ

+−

=

(3.25) 2

cos0

0

1gdje je ( )

2x

I x e d

πθ θ

π= ∫

modifikovana Besselova funkcija nultog reda, prve vrste. a02 je snaga LOS komponente. Riceova

distribucija se često opisuje preko parametra K koji se definiše kao odnos determinističke snage (npr. LOS komponente) i ukupne snage ostalih rasutih komponenti: K= a0

2/2σ

2 . Kada K→0, dominantni signal postaje slabiji, a zbirni signal dobija Rayleighovu raspodjelu. Kada K→∞, nema fadinga, tj. kanal dobija AWGN prirodu. Funkcija gustine vjerovatnoće snage primljenog signala

(trenutne promjene snage oko lokalne srednje vrijednosti P je:

1

0

1 4 (1 )( ) .

Kp

K PP

K K Kf p e e I p

P P

+−

− + +

=

(3.26)

Riceov model se primjenjuje u unutrašnjem (indoor) okruženju, dok se Rayleighev model koristi za opisivanje u vanjskom (outdoor) okruženju. Nakagami-m funkcija gustine vjerovatnoće je:

22 12 1

( ) , m ,( ) 2

mxm m

X m

m xf x e

m

−−

Ω= ≥Γ Ω

(3.27)

gdje je 2 2

2 1

20

, , ( ) , X .m x

RMS

E xm E x m x e dx

Var x

∞− −

= Ω = Γ = = Ω ∫

Funkcija gustine vjerovatnoće snage je:

1

( ) .( )

m m

P

m p mpf p

mP P

− = −

Γ (3.28)

Jedna prednost Nakagami-m funkcije je što ne sadrži Besselove funkcije, te je pogodnija za izvođenje analitičkih izraza. U zavisnosti od parametra m mogu se modelovati različite vrste fadinga, tako npr. za m=1 opisujemo Rayleighev fading, za m=∞ nema fadinga. Relacija parametra m i Riceovog parametra K je: m=(1+K)2(2K+1). Integrisanjem modela velike i male skale, kao i uzimanjem u obzir konfiguracije terena dobijaju se modeli opšte prirode, pogodniji za širu praktičnu upotrebu. Postoji dosta takvih modela, radi ilustracije dat je pregled tzv. Hata modela. Pretpostavljena su tri profila terena: gradski (urban), predgradski (suburban) i ruralni. Empirijske relacije za proračun snage gubitaka na prenosnom putu su:

37

[ ] [ ]( ) [ ]( ) ( )

[ ]( )( ) [ ]( )

69.55 26.16log 13.82log

44.9 6.55log log ,

urban c BS M

BS

L dB f MHz h m a h

h m d km

= + − − +

+ − (3.29)

gdje je: ( ) [ ]( )( ) [ ] [ ]( )( ) 1.1log 0.7 1.56 log 0.8M c M c

a h f MHz h m f MHz= − − − (3.30)

d je udaljenost između BS i M, hBS i hM su efektivne visine antena, a BS i M označavaju baznu stanicu i mobilnog korisnika, respektivno. a je korekcioni faktor i ovom slučaju je definisan za grad srednje veličine.

[ ] [ ]2

2 log 5.428

csuburban urban

fL dB L dB

MHz

= − −

(3.31)

[ ] [ ] [ ]( )( ) [ ]( )( )2

4.78 log 18.33 log 40.94rural urban c c

L dB L dB f MHz f MHz= − + − (3.32)

Kognitivni radio-sistemi mogu iskoristiti svoje, kao i pomoćne metode nadgledanja, da bi mogli razlikovati propagaciona okruženja. Jedan način da se ovo postigne je korištenje topografske baze podataka, tako da kognitivni radio na osnovu informacije o poziciji (dobijene npr. preko GPS) dobije informaciju o topografiji iz baze podataka. GIS je postojeća aplikacija koja obezbjeđuje topografsku bazu podataka. Takođe je važna informacija o LOS/NLOS karakteru putanje signala. Za kognitivni radio to znači dodatne mogućnosti adaptacije: pomoć u algoritmima pozicioniranja i određivanja udaljenosti, efikasna dodjela kanala za sisteme koji rade u opsegu 10-66 MHz i sl. Izračunavanje kapaciteta kanala zahtijeva poznavanje informacija o stanju kanala (eng. Channel State Information-CSI). Ovo izračunavanje podrazumijeva korištenje procedure za estimaciju stanja kanala. Ovo se tradicionalno postiže na dva načina: diferencijalnom detekcijom, koja zahtjeva implementaciju M-arne fazne modulacije i transmisijom pilot signala, koja podrazumijeva periodično slanje pilot (trening) sekvence poznate prijemniku. Korištenje diferencijalne detekcije nudi jednostavnost implementacije i robusnost, ali po cijenu degradacije FER u odnosu na SNR performansi. Sa druge strane, transmisija pilot signala nudi poboljšanje performansi, na račun slabljenja iskorištenja snage i datog frekvencijskog opsega. Predloženo je rješenje po kojem se estimacija izvodi u dvije faze: 1) nadgledani način rada, u kojem se pribavljaju estimacije posmatranog kanala, pod supervizijom kratke pilot sekvence; 2) tracking način rada, u kojem se prijemnik prebacuje na diferencijalnu detekciju.Kada je izabran odgovarajući model kanala, mogu se razmatrati pitanja kognicije. CR nije ograničen na jednostavno razmišljanje kao npr. „nizak SINR znači da se treba povećati predajna snaga“, već će umjesto toga probati druge solucije kao što su mijenjanje tipa modulacije ili kanalskog kodovanja da bi se povećala FER u kanalu; ili će promijeniti frekvenciju da bi našao drugi kanal. U gusto popunjenom spektralnom okruženju promjena frekvencije nije najprihvatljivije rješenje. Zato je veoma važno razmotriti sva ostala moguća podešavanja na PHY i MAC OSI sloju prije promjene frekvencije.

38

4. DINAMIČKI PRISTUP SPEKTRU I RASPODJELA RESURSA

4.1 Dinamički pristup spektru

Tradicionalan način licenciranja radio-spektra u kojem se radio-resursi statički dodjeljuju određenom korisniku licence dovodi do neiskorištenosti spektra. Ograničenja ovakve tzv. „command and control“ šeme licenciranja se mogu sažeti u sljedeće:

• Korisnik licence se ne može promijeniti. Ako je spektar neiskorišten, ne može biti dodijeljen nekom drugom operateru ili pružaocu usluga, koji bi se tako mogao prilagoditi korisnicima.

• Vrsta bežične usluge se ne može promijeniti. Npr., opsezi od 6 MHz dodijeljeni analognim TV servisima u velikoj mjeri ostaju neiskorišteni, a trenutna šema licenciranja ne dozvoljava njihovo korištenje za druge usluge.

• Licenca za korištenje spektra je prostorno invarijantna. Ovo za posljedicu ima neiskorištenost spektra na određenim lokacijama. Na primjer, licenca za ćelijske mreže se dodjeljuje za čitav region, spektar je gusto popunjen u urbanim sredinama a neiskorišten u ruralnim sredinama, gdje uvođenje usluge nije isplativo za operatera.

• Granularnost korištenja spektra je fiksna. Za ćelijske servise dodjela spektra se vrši u velikim dijelovima (npr. opseg 50 MHz na frekvenciji 800 MHz). Zbog ovoga nije moguće dodijeliti spektar u manjim dijelovima da bi se ispunili zahtjevi u nekim specifičnim scenarijima.

• Spektar je zaštićen od nelicenciranih korisnika. Iako spektar ostaje neiskorišten u nekim periodima i na nekim lokacijama, ne dozvoljava se pristup nelicenciranim korisnicima koji svojim radom ne bi stvarali štetnu količinu interferencije prema licenciranim korisnicima.

Da bi se prevazišla sva pobrojana ograničenja, uvodi se pojam otvorenog spektra, odnosno dinamičkog pristupa spektru. Mjerenja pokazuju izrazite nehomogenosti iskorištenja spektra u svim dimenzijama (vrijeme, prostor i frekvencija). Kognitivni radio u užem smislu, kao tehnologija, daje mogućnost dinamičkog pristupa spektru, a samim tim i povećanje spektralne efikasnosti. Da bi se postigla željena fleksibilnost i efikasnosti razvijeni su različiti modeli dinamičkog pristupa spektru: isključivi, dijeljeni i zajednički model.

4.1.1 Isključivi (exclusive-use) model

U isključivom modelu pristupa, spektar je isključivo dodijeljen korisniku ili servisu pod određenim pravilom. U slučaju da korisnik licence ne iskorištava u potpunosti dodjeljeni dio spektra u određeno vrijeme ili na određenoj lokaciji, isključiva prava za pristup spektru mogu biti data (iznajmljena) kognitivnim radio korisnicima. Oni mogu koristiti spektar, poštujući pravila koja je odredio vlasnik spektra. Postoje dvije varijante ovog modela: dugoročni i dinamički.

39

Kod dinamičkog isključivog modela, dodjela spektra se vrši na finijoj skali u odnosu na dugoročni model, tj. spektar se dijeli na manje dijelove koji se daju na upotrebu kogitivnim radio korisnicima u relativno kraćim vremenskim periodima. Postoje tri podmodela: real-time (trenutna dodjela na zahtjev), non-real-time (dodjela se vrši fiksno prije korištenja) i heterogeni real-time (dodjela na zahtjev, dozvoljeno postojanje različitih servisa). Kod dugoročnog isključivog modela, spektar se dodjeljuje na relativno duži period vremena (reda veličine nekoliko sedmica). Nakon što je izvršena dodjela, vrste servisa mogu biti mijenjane (fiksni i fleksibilni podmodel).

4.1.2 Dijeljeni (shared-use) model

Kod dijeljenog modela pristupa spektru, primarni (licencirani) i sekundarni (nelicencirani) korisnici mogu istovremeno pristupati određenom dijelu spektra. Ovaj model se često naziva oportunistički, jer sekundarni korisnici oportunistički pristupaju spektru kad on nije zauzet ili u potpunosti iskorišten od strane primarnih korisnika. U okviru ovog modela postoje dva načina pristupa spektru: overlay i underlay. U slučaju overlay načina pristupa, dozvoljava se pristup sekundarnim korisnicima, koji moraju nadgledati aktivnost primarnih korisnika. Kada detektuju odsustvo primarnih korisnika, odnosno spektralnu šupljinu, sekundarni korisnici donose odluku (na osnovu vjerovatnoće kolizije i/ili drugih parametara) o pristupanju spektru. Da bi se iskoristile spektralne šupljine, CR korisnici moraju oblikovati svoje primopredajne šeme tako da se one uklapaju u identifikovane šablone slobodnih dijelova spektra. Evidentno je da tehnike prenosa sa više nosećih frekvencija nude značajne pogodnosti pri realizaciji ovakvog pristupa. Ovaj način može biti realizovan TDMA, FDMA, ili OFDM tehnikama višestrukog pristupa. OFDM tehnika, zbog svoje prirode, se nameće kao prirodan izbor za realizaciju pristupa u kognitivnim radio-sistemima, što i potvrđuje velika pažnja posvećena primjeni ove tehnike u kognitivnim radio-sistemima. Underlay način pristupa dozvoljava sekundarnim korisnicima mogućnost istovremenog pristupanja posmatranom dijelu spektra. Predajna snaga sekundarnih korisnika treba biti ograničena, tako da nivo interferencije koju oni stvaraju prema primarnim korisnicima ostane ispod dozvoljenog praga. U kognitivnim radio-sistemima, underlay način pristupa se realizuje pomoću CDMA ili UWB tehnologije. Ukratko rečeno, UWB je predajna tehnika koja koristi impulse veoma kratkog trajanja (manje od 1 ns) male snage koji zauzimaju veoma široki frekvencijski opseg. Sa stanovišta ostalih komunikacionih sistema, UWB transmisije se mogu smatrati pozadinskim šumom niske snage; tako da ova tehnika nudi atraktivno rješenje za pristup licenciranom spektru bez stvaranja štetne interferencije. Primjena UWB tehnike je trenutno ograničena na komunikacije kratkog dometa, a postoji i pitanje interferencije sa budućim 4G uređajima u indoor okruženju.

4.1.3 Zajednički (common) model

U ovom modelu, svi kognitivni radio korisnici imaju jednaka prava za pristupanje radio spektru. Postoje tri varijante ovog modela: nekontrolisani, upravljani i privatni zajednički model.

40

Nekontrolisani zajednički model je najjednostavnija varijanta dinamičkog pristupa spektru u okviru kojeg ni jedan entitet ne posjeduje ekskluzivna prava ili prioritet u pristupanju spektru. Ovaj model se već koristi u ISM (2.4 GHz) i U-NII (5 GHz) nelicenciranim opsezima. Jedino ograničenje se odnosi na maksimalnu predajnu snagu. Interferencija može biti kontrolisana (npr. više IEEE 802.11 b/g mreža koje rade na istom kanalu) ili nekontrolisana (od mikrotalasnih pećnica ili Bluetooth uređaja prema IEEE 802.11 b/g mrežama). Upravljani zajednički model pokušava poboljšati performanse nekontrolisanog modela. Koristi se neka vrsta upravljačkog protokola koji uzima u obzir sljedeća pravila:

• Ograničenje predajne snage mora biti bazirano na zbirnoj maksimalnoj snazi svih korisnika. • Svi korisnici bi trebali biti u mogućnosti detektovati prisutnost i predajnika i prijemnika. • Kognitivni radio korisnici trebaju razmjenjivati informacije (npr. transmisione parametre)

između sebe da bi se koordinisao pristup spektru. • U kognitivnoj radio mreži se zahtjeva kontrola dodjele resursa i višestrukog pristupa da bi se

izbjegle kolizije. Važno pitanje kod upravljanog modela je provođenje poštivanja pravila za pristup spektru. Kod privatnog zajedničkog modela, vlasnik spektra može specificirati tehnologiju i protokol pristupanja spektru za kognitivne radio korisnike. Oni mogu primati i izvršavati naređenja (frekvencijski opseg, nivo predajne snage i sl.) od vlasnika spektra. Osnovne osobine ovog modela su: CR korisnik mora dobiti odobrenje od vlasnika prije pristupanja spektru; CR korisnik može pristupati spektru koji posjeduje tačno određen vlasnik; protokoli nadgledanja i upravljanja moraju biti odobreni od strane vlasnika spektra. Razmatrajući dinamički pristup spektru, u kontekstu podrške za QoS, treba spomenuti termine koegzistencije, kooperacije i koordinacije. Pod koegzistencijom se podrazumijeva dijeljenje spektra sa ciljem smanjenja i izbjegavanja interferencije. U distribuiranom okruženju, u odsutnosti centralnog entiteta za koordinaciju nemoguće je pružiti podršku za QoS zato što se vrši razmjena informacija između uređaja koji se međusobno nadmeću za pristup spektru. Kada dostupni resursi postanu manji od zahtjevanih, šeme predviđanja postaju neefikasne i gubi se podrška za QoS. Koegzistencija može biti postignuta projektovanjem novih OSI MAC protokola za pristup i definisanjem novih zajedničkih kanala za koordinaciju. Slijedi nekoliko primjera realizovane koegzstencije različitih radio-sistema u kojima se ne vrši komunikacija između korisničkih uređaja. FCC zahtijeva da uređaji koji rade u U-NII opsegu koriste dinamičku selekciju frekvencije (eng. Dynamic Frequency Selection-DFS) da bi se radarski sistemi zaštitili od smetnji. DFS zahtijeva od predajnika da se automatski prebaci na drugi kanal kada se detektuje nivo snage iznad praga od -62 dBm za uređaje sa maksimalnom EIRP od 200 mW. Takođe se zahtjeva da u tom slučaju kanal bude slobodan u toku određenog vremenskog intervala. Kontrola predajne snage (eng. Transmit Power Control-TPC) je mehanizam koji prilagođava predajnu snagu kada se detektuju određeni uslovi, npr. komandnim signalom od prijemnika kada primljeni signal padne ispod određenog praga. Prema FCC, radio uređaji koji rade u U-NII opsegu sa snagama većim od 500 mW, mijenjaju predajnu snagu u koracima od 6 dB kada je aktivirana TPC.

41

Zajednička koordinacija se takođe zahtjeva da bi se obezbijedila podrška QoS, koja u ovom slučaju podrazumijeva garantovanje isključive upotrebe spektra u predviđeno vrijeme i predviđenog trajanja. Kooperacija je naročito važna u samokonfigurišućim mrežama, gdje uređaji ograničavaju sopstveni pristup spektru služeći kao relejni čvorovi za ostale uređaje, a sve to u cilju postizanja zadatog nivoa performansi, odnosno garantovanja QoS. Kooperacija može biti provedena kroz protokole, bilo standardne ili kao spektralna etiketa.

Prilikom praktičnih razmatranja o kognitivnim radio-sistemima najveću pažnju je dobio dijeljeni model, odnosno overlay i underlay pristup. U literaturi se dijeljenje spektra često svodi samo na dva tipa: horizontalno i vertikalno. Horizontalno dijeljenje podrazumijeva istovremeno dijeljenje spektra od strane radio sistema sa istim ili sličnim prioritetima pristupa (kao npr. u nelicenciranim ISM i U-NII opsezima). Pod vertikalnim dijeljenjem se podrazumijeva korištenje licenciranog spektra od strane primarnih i sekundarnih korisnika. Vertikalno dijeljenje bi se uskoro trebalo početi sprovoditi u praksi, nakon donošenja IEEE 802.22 WRAN (Wireless Regional Area Network) standarda, gdje će se pristupati spektru analogne TV od 470-862 MHz, koji će ostati slobodan nakon prelaska na digitalnu TV. Ilustracija ova dva modela je data na sl. 4.1:

Slika 4.1 Ilustracija horizontalnog i vertikalnog dijeljenja spektra

42

4.2 Arhitektura dinamičkog pristupa spektru

Arhitektura kognitivne radio-mreže zavisi od njene primjene, odnosno topologije i može biti bazirana na infrastrukturi, kada se topologija rijetko mijenja ili ne mijenja uopšte ili biti bez infrastrukture, gdje je topologija podložna čestim promjenama. U kognitivnoj radio mreži se zahtijeva i single-hop i multihop komunikacija između predajnika i prijemnika. Arhitektura za dinamički pristup spektru može biti centralizovana ili distribuirana i u većini slučajeva uključuje i nadgledanje spektra. U single-hop infrastrukturnoj mreži, svi nelicencirani korisnici prenose podatke preko centralnog kontrolera (npr. neke vrste bazne stanice). Dinamički pristup spektru za nelicencirane korisnike je kontrolisan (npr. dodjelom vremena, frekvencijskog opsega i nivoa predajne snage) preko ovog kontrolera. U multihop infrastrukturnoj mreži, korisnici razmjenjuju podatke u više koraka preko nekoliko baznih stanica, čime se povećava domet komunikacije. U mreži bez infrastrukture, kognitivni radio korisnici komuniciraju direktno jedni sa drugima, (npr. na peer-to-peer način), gdje se u slučaju multihop komunikacije neki korisnici trebaju ponašati kao relejni čvorovi. Centralizovani dinamički pristup spektru podrazumijeva postojanje upravljačkog centra koji će donositi odluke o pristupu spektru za sve nelicencirane korisnike. Da bi se to postiglo, upravljački centar mora prikupiti podatke o aktivnosti primarnih korisnika dobijene nadgledanjem, kao i podatke o zahtjevima od nelicenciranih korisnika. Bira se rješenje koje je optimalno za zadate parametre (npr. maksimiziranje korisnog propusnog opsega). Odluka o pristupu spektru se zatim šalje svim nelicenciranim korisnicima. Očigledno je da ovakav pristup značajno povećava komunikaciono zaglavlje, ali zauzvrat nudi povećanje pouzdanosti detekcije i robusnost na promjene uslova u kanalu. U slučaju distribuiranog dinamičkog pristupa, svaki nelicencirani korisnik samostalno i/ili nezavisno donosi odluku o pristupu. Realizacija ovakvog pristupa zahtjeva veće računarske resurse u korisničkim uređajima, jer svaki korisnik treba prikupiti i obraditi podatke o spektralnom okruženju. Korisni propusni opseg će biti veći nego u slučaju centralizovanog pristupa, s tim da vjerovatno neće biti moguće postići optimalno rješenje za sve korisnike. Prednosti i nedostaci ovih arhitektura su analogni onima iz tradicionalnih komunikacionih sistema, a izbor odgovarajuće arhitekture prvenstveno zavisi od namjene kognitivne radio mreže, kao i od usklađenosti sa novim standardima vezanim za kognitivni radio.

43

5. IMPLEMENTACIJA KOGNITIVNIH RADIO-

SISTEMA

5.1 Motorola 10 MHz-4GHz eksperimentalna CR platforma

Razvoj fleksibilnog primopredajnog integrisanog kola male potrošnje omogućio je realizaciju prenosive eksperimentalne CR platforme. Jednostavnim programiranjem ovog RF integrisanog kola (eng. Radio Frequency Integrated Circuit-RFIC) platforma može vršiti prenos signala mnogih bežičnih protokola (standardnih i eksperimentalnih) na nosećim frekvencijama od 10 MHz do 4 GHz, sa širinama kanala od 8 do 20 kHz. RFIC je realizovan u 90 nm CMOS tehnologiji. Pojednostavljena blok-šema platforme data je na slici 5.1:

Slika 5.1 Blok-šema Motorola CR platforme

Hardverske komponente mogu se posmatrati kao tri štampane ploče: procesorska ploča, ploča primopredajnika i ploča nosioca.

Procesorska ploča sadrži Analog Devices Blackfin 561 dvojezgreni procesor sa 64 MB

RAM memorije i 8 MB trajne (nonvolatile-NV) fleš memorije. Ovaj procesor radi na taktu od 500 MHz i na njemu se izvršava uClinux (Linux za mikrokontrolere) operativni sistem. Aplikacije za sistem su razvijene na Linux radnoj stanici i kompajlirane za uClinux. Ploči se može pristupiti preko apstrakcionog sloja u operativnom sistemu ili telnet konekcijom preko porta 561.

Ploča primopredajnika sastoji se od dva konvertora (predajnog i prijemnog) koji pretvaraju kompleksne u realne signale sa rezolucijama 14 bita za frekvencije odmjeravanja do 65 MHz (prijemni) i 10 bita za frekvencije odmjeravanja do 125 MHz. Obrada signala se vrši u Xilinx XC4VSX35 FPGA čipu. U njemu se vrši nadgledanje spektra, detekcija signala, modulacija i demodulacija. Zavisno od složenosti (de)modulacije, FPGA može podatke proslijediti Blackfin procesoru na softversku obradu. FPGA je povezana sa procesorom preko dvije magistrale sa 16 bita,

44

upravljačkom i DMA (Direct Memory Access). Podržan je rad sa podacima dužine jedne riječi (32 bita).

Ploča nosioca sadrži komponente za podršku, kao što su regulator napona, Ethernet

PHY/MAC integrisano kolo, Ethernet port, antenske portove i slično.

Na slici 5.2 je prikazana logička struktura CR platforme:

Slika 5.2 Logička struktura Motorola CR platforme

U logičkoj strukturi FPGA je integrisan MicroBlaze procesor koji obavlja sljedeće zadatke: PHY operacije visokog nivoa kao što su deenkapsulacija paketa i detekcija grešaka, MAC operacije niskog nivoa kao što su adresno filtriranje paketa, uspostavljanje i pretprocesiranje nadgledanja spektra, kontrolisanje RFIC kola preko UART interfejsa.

U FPGA se obavljaju ciklostacionarna analiza i generisanje talasnih oblika za OFDM i prenos u proširenom spektru korištenjem direktne sekvence (DSSS).

Podsistemi vezani za kognitivni radio nisu toliko procesorski zahtjevni, pa se mogu izvršavati na Blackfin procesoru.

45

Rekonfigurabilnost FPGA kola može se postići snimanjem više konfiguracionih fajlova u NV memoriju na procesorskoj ploči. Većina podsistema za obradu signala je projektovana korištenjem Xilinx sistem generatora, koji projektantima omogućava izgradnju i simulaciju sistema u Matlab modulu Simulink, a zatim automatsku generaciju HDL (Hardware Description Language) koda za željeno Xilinx FPGA kolo.

Za ilustraciju performansi uzet je test detekcije DSSS signala sa frekvencijom čipa od 11·106. Na slici 5.3 se uočava da ovaj signal može biti pouzdano detektovan ciklostacionarnom analizom, čime je potvrđena iskoristivost ove platforme u kognitivnim radio-sistemima, jer je pouzdana detekcija primarnih signala jedna od ključnih karakteristika koje se zahtjevaju od kognitivnog radija.

Slika 5.3 Spektralna korelaciona funkcija DSSS primarnog signala određena Motorola CR platformom

Praktična implementacija ove platforme ukazuje da treba obratiti pažnju na sljedeća pitanja:

• Disipacija toplote. Odgovarajuće hlađenje je neophodno za pozdan rad i izbjegavanje kvarova na uređajima. Sa povećanjem procesorske snage u budućnosti, ovo pitanje će još više doći do izražaja, naročito u prenosnim uređajima, tako da mu je potrebno posvetiti odgovarajuću pažnju.

• Generisanje frekvencije odmjeravanja. U ovoj platformi jedan referentni oscilator snabdijeva FPGA taktom, a unutar FPGA digitalni menadžer takta kreira željeni takt signal. Ipak, dozvoljeni odnosi su ograničeni i u dosta slučajeva nije moguće postići prirodnu frekvenciju odmjeravanja. Tada se resursi FPGA logike troše na resampling, tako da je u svakom slučaju bolje koristiti eksterna PLL integrisana kola.

• FPGA memorija. Ova platforma ima 432 kB FPGA memorije, što se pokazalo nedovoljnim za neke kognitivne radio aplikacije, pa pri projektovanju CR platforme treba imati na umu dodatnu eksternu memoriju za FPGA.

46

5.2 Adapt4 XG1 i XG2plus terminali

Adapt4 XG1 je prvi komercijalni kognitivni radio-terminal. Radi kao nelicencirani bežični Ethernet uređaj na principu vremenske raspodjele kanala u licenciranom opsegu 217-220 MHz. XG1 radio nudi mogućnost implementacije novih ili proširenja postojećih mreža. Neke od aplikacija su: telemetrija, sigurnosni sistemi, video nadzor, SCADA i sl. Takođe je veoma pogodan za vojne primjene, a XG projekat je i pokrenut od strane DARPA agencije. XG1 koristi patentirani protokol automatske adaptacije spektra (eng. Automatic Spectrum Adaptation Protocol – ASAP) za upravljanje u vremenu, frekvenciji, prostoru i upravljanje snagom, da bi se obezbijedila pouzdana komunikacija bez ometanja primarnih korisnika. Ovaj terminal radi kao Ethernet svič, pa je vidljiv za mrežni sloj, što značajno olakšava integraciju u postojeće mreže.

Mreže koje se sastoje od XG1 i XG2plus terminala imaju topologiju zvijezde (point-to-

multipoint) i sadrže jednu ili više baznih stanica. Svaki terminal može raditi kao bazna stanica sa do 1000 terminala u mreži, takođe svaki terminal može raditi kao repeater za neki drugi terminal. XG2plus podržava i mesh topologiju iz dva koraka za povećanje dometa komunikacije, koji može biti do 50 milja. Koriste se tri ključne tehnologije:

Dinamičko biranje i izbjegavanje frekvencije. XG1 koristi napredne tehnike obrade

signala da bi detektovao neiskorišten frekvencijski prostor. Pojedinačni XG1 uređaji nadgledaju spektar, detektuju primarne korisnike i te informacije prosljeđuju centralnom terminalu, koji kreira mapu zauzetosti spektra za čitavu mrežu. Ova mapa se neprekidno osvježava i proslijeđuje čitavoj mreži. Kada se detektuje primarni korisnik u kanalu koji je u upotrebi, kanal se trenutno oslobađa i briše iz liste dostupnih kanala i prelazi se na sljedeći kanal iz liste. Podržana je i keep away osobina, kojom se mrežnom operatoru dozvoljava definisanje promjenljivog zaštitnog opsega oko kanala licenciranih korisnika.

Dinamičko upravljanje snagom. Uređaji u XG1 mreži regulišu svoju predajnu snagu da

bi se smanjila vjerovatnoća stvaranja interferencije prema primarnim korisnicima. Svaki radio u mreži koristi minimalnu količinu snage da bi se održala pouzdana komunikacija sa centralnim terminalom, koji predaje sa snagom prilagođenom terminalu koji zahtjeva najveću snagu. Nivoi ovih snaga se dinamički mijenjaju prilagođujući se uslovima u okruženju.

Frekvencijsko skakanje. Da bi se smanjila vjerovatnoća generisanja interferencije, u

mreži se vrši frekvencijsko skakanje na maksimalno 45 (10 za XG2plus) kanala, čime se minimizira vrijeme provedeno na jednom kanalu, koje tipično iznosi 10 ms bez prekida.

47

Oba terminala posjeduju Ethernet i serijski RS-232 port. Adapt4 XG1 obezbjeđuje brzine prenosa podataka od 30 kbps do 180 kbps, a XG2plus 10 kbps do 20 kbps. Oba terminala podržavaju over-the-air podešavanja i nadograđivanja, AES enkripciju, napredne FEC mehanizme itd. U tabeli 5.1 je dat pregled karakteristika XG1 terminala.

Tabela 5.1 Tehničke specifikacije Adapt4 XG1 terminala