Technologia radia kognitywnego optymalizuje wykorzystanie widma w sieciach bezprzewodowych
Rosnąca popularność sieci bezprzewodowych uwidoczniła potrzebę zwiększenia przepustowości i wydajności sieci. Sieci radia kognitywnego cieszą się coraz większym zainteresowaniem i są dogłębnie badane w celu przezwyciężenia problemu niedoboru widma w bezprzewodowych systemach łączności nowej generacji. W ramach finansowanego przez UE projektu CORPA naukowcy z powodzeniem opracowali technologie radia kognitywnego w celu optymalizacji wykorzystania widma radiowego, tj. uzyskania dostępu do niewykorzystanych części widma i współdzielenia ich. Opierając się m.in. na podstawowych elementach projektowania sprzętu, teorii sieci oraz optymalizacji i przetwarzania sygnału, zespół przedstawił przełomową konstrukcję systemu radiowego, który skutecznie przydziela niewykorzystane pasma wtórnym użytkownikom widma, gdy tylko jest to możliwe. Wybór wolnych częstotliwości Pomysł współdzielenia niewykorzystanych części widma może wydawać się dość oczywisty, co rodzi pytanie, dlaczego nie został jeszcze wdrożony. „Chociaż temat sieci radia kognitywnego jest od kilku lat przedmiotem intensywnych badań i przyniósł wiele interesujących wyników, projektowanie sprzętu i rozwój systemów postępują w znacznie wolniejszym tempie. Technologie niezbędne do współdzielenia widma dopiero niedawno osiągnęły poziom dojrzałości”, zauważa dr Van Tam Nguyen. Widmo radiowe jest cennym zasobem w komunikacji bezprzewodowej. „Obecny statyczny przydział widma na potrzeby zarządzania nim, który dzieli widmo na pasma licencjonowane przydzielone na dużych obszarach geograficznych, nie jest już dostosowany do dynamiki podaży i popytu. Ta nierównowaga między podażą a popytem prowadzi do niepełnego wykorzystania wielu przydzielonych pasm częstotliwości, podczas gdy inne są nadmiernie eksploatowane, co oznacza marnowanie ogromnego potencjału widma i niepotrzebnie stwarza warunki niedoboru”, wyjaśnia dr Nguyen. Przyszłe sieci bezprzewodowe będą musiały wykorzystywać większą inteligencję, aby uniknąć zakłóceń, jednocześnie optymalizując widmo dzięki współpracy z innymi systemami, które zajmują te same pasma widma”. Pasma nieobjęte licencją lub współdzielone widmo zapewniają większą elastyczność i efektywność wykorzystania widma”, podsumowuje dr Nguyen. Przełomowa technologia radiowa Naukowcy CORPA przeprowadzili pionierskie prace nad technologiami radiowymi, aby sprostać przyszłym wymaganiom w zakresie wydajności widma, efektywności energetycznej i wydajności aplikacji. „Kluczowym wąskim gardłem systemów radia kognitywnego zawsze był i nadal jest rozwój elastycznego nadajnika/odbiornika częstotliwości radiowych, który zużywa bardzo małą moc i ma możliwość konwersji analogowego wejścia radiowego na wyjście cyfrowe kompatybilne z cyfrowym przetwarzaniem”, zauważa dr Nguyen. Badacze z powodzeniem zajęli się tym kluczowym zagadnieniem, projektując zaawansowaną architekturę odbiorników, która ułatwia realizację funkcji częstotliwości radiowych dla wojskowych i komercyjnych systemów łączności. W porównaniu z najnowocześniejszymi rozwiązaniami nowy prototyp odbiornika bazującego na radiu kognitywnym zużywa energię znacznie efektywniej i obejmuje rozszerzony zakres częstotliwości od 400 MHz do 6 GHz, co czyni go idealnym rozwiązaniem dla sieci 5G. System charakteryzuje się również niskimi poziomami szumów, niskimi zniekształceniami i 10-krotnie lepszym stosunkiem sygnału do szumu w porównaniu z obecnymi rozwiązaniami. Współczynnik Schreiera, który jest często wykorzystywany do porównywania konwersji analogowo-cyfrowej, jest również lepszy w określonym zakresie częstotliwości, osiągając 149 dB. Zwalczanie egoistycznych zachowań Istnieje wiele funkcji sieciowych, które mogą być narażone na szwank z powodu obecności złych użytkowników. „Jeśli chodzi o dostępność sieci, niewykorzystane pasmo częstotliwości, do którego mogą mieć dostęp licencjonowani użytkownicy, powinno być dla nich zawsze dostępne; jednak egoistyczne zachowanie może temu zagrażać”, mówi dr Nguyen. Określenie właściwych strategii nadzoru jest niezbędne dla zapewnienia uczciwości w działaniu sieci. Naukowcy wykazali, że konwencjonalne algorytmy behawioralnej teorii gier stosowane do opisywania interakcji między obrońcą a napastnikiem nie są optymalne, gdy ten ostatni ma zdolność uczenia się. Zamiast tego zespół zaprojektował nowy algorytm, który wzmacnia nadzór sieciowy, oparty na tzw. silnej równowadze Stackelberga. Szybki wzrost ruchu danych w sieciach bezprzewodowych podkreśla znaczenie intensywnego dynamicznego wykorzystania dostępnego widma. Dzięki nowemu, przełomowemu systemowi projekt CORPA pomoże w rozwoju nowych usług bezprzewodowych o lepszej jakości.
