549_Sovremennye_problemy_telekommunikatsij_

Исследование алгоритмов смены радиочастотного канала в сетях когнитивного радио

А. В. Стенин

Данная работа посвящена исследованию методов смены радиочастотного канала, одного из ключевых процессов когнитивных радиосистем. Рассматриваются варианты разработки оптимальных алгоритмов смены радиочастотного канала с учетом области применения таких систем. Исследуются подходы к решению задач наиболее эффективной работы когнитивных устройств.

Ключевые слова: когнитивное радио, смена радиоканалов, разработка алгоритма

1. Введение

Первоначальной причиной создания и развития концепции когнитивного радио являлось увеличение числа носимой электроники среди населения, и как следствие увеличения потребности в ограниченном радиочастотном спектре. Затем была предложена технология, которая бы позволяла использовать временно свободные каналы, проведя их предварительный анализ.

Отсутствие общепринятых алгоритмов работы устройств в когнитивных сетях не позволяет точно описывать рабочие характеристики сети, в том числе в моменты смены радиочастотного канала. Теоретически предполагается, что смена канала является стандартной процедурой, и не будет вызывать существенных проблем, например, при передаче потоковой информации.

Создание IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) стандарта 802.22 WRAN (wireless regional area network) беспроводных региональных сетей [1], в основу которого была заложена технология когнитивной радиопередачи, доказывает потребность в развитии данного направления. Разработка устройств когнитивного радио ведется на уровне прототипов, поэтому исследование алгоритмов и решений позволяет привнести некие инновационные подходы.

2. Алгоритмы и процесс смены радиоканала

Исходя из задач, предъявляемых к технологии когнитивного радио, следует, что первоочередной целью является разработка алгоритмов работы реализующих заданные функции на участке между двумя когнитивными устройствами. В эти функции включаются как стандартные методы по установлению и поддержанию соединения, так и функции, определенные непосредственно когнитивной системой, например смена канала и процедура синхронизации. Процедура взаимодействия и обмена сообщениями после возникновения события в е- дущего к безусловной смене канала показана на рисунке 1 в виде алгоритма.

571

Рис. 1. Простейший алгоритм смены радиоканала

Представленный алгоритм является наиболее простым, в котором задается только параметр максимального количества попыток n, его значение также может задаваться непосредственно когнитивной системой в неком пределе, и зависеть от условий загруженности каналов в конкретной среде эксплуатации. Основные причины для смены канала неоднократно описывались в соответствующих исследованиях [2].

«Процесс 1» описывает момент выбора наиболее подходящего радиоканала после поступления команды на смену канала и актуальной информации о состоянии сканируемого радиочастотного спектра. Критерий выбора канала может устанавливаться вручную согласно предварительно загруженным в систему наборам правил, которые в свою очередь будут активироваться в зависимости от геолокации определяемой самим устройством. Это необходимо для того чтобы использовать именно тот набор правил, который будет взаимодействовать с разрешенными в данной географической зоне частотами, и регулировать мощность передатчика согласно ограничениям, если таковые имеются. Завершающим этапом процесса является подтверждение доступности выбранного канала и установка параметра n, который предотвращает зацикливание системы в случае потери связи или невозможности встречного узла ответить на запрос.

572

«Процесс 2» является ключевым в исследуемом вопросе смены каналов, встречному узлу отправляется сообщение, призванное инициализировать процедуру смены радиоканала, содержащий также информацию о частоте канала на которую совершается переход.

В момент A центральная частота f1 сигнала неизменна и находится в нормальном режиме работы. Принимаемый сигнал в момент B, содержащий команду на смену канала (служебные биты) обрамлен флагами. Передача сигнала подтверждения перехода (ACK) на новую частоту происходит в фазе C, где служебная кодовая комбинация также обрамлена флагами. После выполнения вышеописанных фаз устройство за счет программно-аппаратных средств переходит на выбранную частоту f2. Инициализатор перехода производит смену радиоканала после получения подтверждения отправленного в фазе C.

3. Оценка воздействия времени переключения

Вероятность того насколько часто будет происходить смена радиочастотного канала должна определяться вероятностными моделями, включающими характеристики среды эксплуатации исследуемой системы.

Однако вероятность частой смены радиоканала в густонаселенных районах и мегаполисах является достаточно высокой для рассмотрения вопроса о пренебрежении временем, которое система затратит на переключение радиоканалов. При этом время полного перехода t- пп на выбранную частоту является временем затраченным системой инициатора перехода с момента начала обработки соответствующей команды и до момента начала обмена информационной нагрузкой между рассматриваемыми узлами. Время непосредственно изменения частоты на устройстве tсч определим как время затраченное программно-аппаратными средствами системы с момента обработки принятого служебного сообщения о необходимости перехода на указанную частоту до начала обмена служебной информации уже на частоте f2, между рассматриваемыми узлами. Важно, чтобы смена радиочастотного канала происходила максимально синхронно во избежание потерь или разрыва соединения.

Из вышесказанного следует, что tсч должно быть минимальным, поскольку именно в этот момент происходит кратковременный разрыв физического соединения. Вместо использования специальных служебных сообщений, которые в свою очередь могу занимать временные интервалы в канале, предполагается возможность использования специализированных заголовков пакетов, если используется пакетный способ обмена информацией. Инкапсуляция пакетов, определенных стандартов в специализированные кадры когнитивного радио позволяет передавать полезную нагрузку в одном временном интервале (в n-количестве временных слотов).

Современный уровень развития схемотехники и высокий показатель производительности ПЛИС (программируемых логических интегральных схем) позволяет уже на уровне прототипов устройств когнитивного радио обеспечивать высокие скорости переключения между частотами (от 50 мкс до 1 мкс для прототипа CogRadio [3]). Использование современных схемотехнических решений и оптимальных алгоритмов позволяет достичь наименьшего влияния фактора смены частоты, и повысить эффективность таких систем.

4. Механизм формирования и принятия решений

Согласно концепции когнитивного радио, реализуемая система должна содержать механизм самообучения или формирования шаблонов решений согласно получаемой информации. Процесс выбора частотного канала, с технической точки, является довольно простым, так как функции сравнения характеристик канала с заданными критериями реализованы таким образом, что сравнивают данные только в текущий момент времени.

573

Когнитивные системы способны предсказывать изменения той или иной анализируемой системы, например радиочастотного канала, на основании данных полученных подсистемой формирования и принятия решений (СФПР). Среди анализируемых характеристик могут присутствовать: характер поведения частотного канала в длительном промежутке времени, значение частоты, географическая среда эксплуатации, время суток. Блок-схема данного механизма представлена на рисунке 2)

Рис. 2. Блок-схема механизма формирования и принятия решений

Такой подход позволяет существенно повысить эффективность выбора радиоканалов за счет уменьшения вероятности их повторного переключения. Востребованность в данном подходе имеет место в методах расширения спектра, например, FHSS (frequency-hopping spread spectrum) [4], где требуется интеллектуальный выбор канала. Формирование подобных баз данных о характеристиках и поведении определенных участков таких сетей может быть задействовано в различных областях инфокоммуникаций.

5. Заключение

Рассмотренный в данной работе подход к функциям смены радиоканала в системах когнитивного радио позволяет более отчетливо представить технические особенности исследуемой технологии и ограничить пока не определенные области применения данной технологии. Разработка и исследование эффективных алгоритмов, направленных на оптимизацию процесса смены каналов, позволяет приблизиться к технической реализации когнитивных устройств и определить набор основных параметров.

С ростом уровня развития искусственного интеллекта в технике, возрастает и потребность в интеллектуальных системах, одной из которых является система, построенная согласно концепции когнитивного радио. Функции, позволяющие предсказывать наиболее эффективный канал для перехода позволяют существенно повысить качество и эффективность управления сетью. Разрабатываемый механизм формирования и принятия решений показывает, что такая система будет способна к самообучению и саморегуляции исходя из задач и качества обслуживания, устанавливаемых при внедрении системы.

574

Литература

1.Mody A. Enabling Broadband Wireless Access Using Cognitive Radio Technology and Spectrum Sharing in White Spaces Recipient of the IEEE SA Emerging Technology Award

[Электронный ресурс]. URL: http://www.ieee802.org/22/ (дата обращения:

11.02.2015).

2.В. И. Малыхин, О. М. Замятина. Исследование и моделирование работы когнитивного радиостандарта IEEE 802.22 // Вестник СибГУТИ. 2014. № 1. С. 75-84

3.Wolniansky P. CR-GENI - Cognitive Radios for GENI Spiral II [Электронный ресурс]. URL: http://groups.geni.net/geni/wiki/COGRADIO (дата обращения: 17.02.2015).

4.Nyberg H., Craig, S., Magnusson S., Edgren, E. Collision properties of GSM hopping sequences/The 11th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), 2000, pp. 1004—1008

Стенин Александр Владиславович

аспирант кафедры передачи дискретных сообщений и метрологии, (630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86) тел. +7 (953) 798-48-98, e-mail: av.stenin@yandex.ru

Научный руководитель: д.т.н., профессор Мелентьев О.Г.

Research of algorithms change the RF channel in cognitive radio networks

A. Stenin

This paper investigates methods of changing the RF channel, one of the key processes of cognitive radio systems. Considered options for the development of optimal algorithms change the RF channel with the range of applicability of such systems. Investigates approaches to solving problems most effective work of cognitive devices.

Keywords: cognitive radio, change radio channels, algorithm development

575

Вопросы построения сетей LTE

А. А. Хамов, В. В. Судаков

LTE – технология построения сетей беспроводной связи, следующая за 3G, обеспечивающая высокоскоростную передачу данных для мобильных устройств и других терминалов. Внедрение сетей LTE ознаменует переход от систем с коммутацией каналов к системам с коммутацией пакетов, а также от систем CDMA (WCDMA) к системам OFDMA. Для планового перехода от старых сетей к новым требуются абонентские устройства способные работать как в сетях 3G, так и в сетях LTE. Кроме того, требуется решение проблем с выделением нового частотного ресурса или перераспределением уже используемого. В LTE используется модуляция OFDM/QAM, хорошо исследованная в системах DVB, Wi-Fi и WiMAX.

Ключевые слова: LTE, OFDM.

1.Введение

Впоследние десятилетия с развитием инфокоммуникационных технологий, человек создал компактные и мало потребляющие, с энергетической точки зрения, устройства, которые позволяют проводить сложную обработку сигналов. Подобные цифровые устройства позволили сделать качественный скачок в технологии беспроводной передачи информации.

Качественный скачок заключается в том, что все имеющиеся в распоряжении ресурсы: частотно-временные, энергетический диапазон, территориальное разнесение используются в максимальной степени, наряду с этим совершенствуются способы формирования канальных сигналов и развиваются новые технологии передачи, позволяющие проводить интегрирование со всеми предыдущими технологиями передачи.

Внастоящее время системы связи с подвижными объектами прочно вошли в повседневную жизнь общества. Несмотря на широкую распространенность систем связи, ориентированных на работу с фиксированными абонентами, в настоящий момент наблюдается острая необходимость предоставление услуг связи для работы в любом месте, будучи не привязанным к какому-либо определенному месту и даже к какой-то ограниченной территории. Эта необходимость и привела к бурному развитию мобильных сетей, сетей беспроводного доступа, радиорелейной и спутниковой связи. При таком интенсивном развитии технологий передачи сложилась ситуация, при которой одновременно существуют мобильные сети второго, третьего и четвертого поколения. Основу сетей более высокого поколения составляют не только требования к пропускной способности, но и интеграция между различными технологиями, когда оборудование более высокого поколения вынуждено поддерживать технологии предыдущего поколения, в связи с их широким распространением и невозможностью одномоментного перехода со "старых" технологий передачи на новые. Современные тенденции развития беспроводных сетей – это направленность на пакетную передачу различных видов трафика – пересылка данных, речи, видеоинформации с заданным качеством, определяемых не только с учетом вероятности ошибок, но и задержек. Для обеспечения высоких скоростей передачи и требуемого качества в современных технологиях связи с подвижными объектами в максимальной степени используется весь объем канала связи – частотные, временные и динамические возможности [1].

Рассматривая историю развития технологий беспроводной связи, можно заметить два независимых направления: системы телефонной связи (сотовая связь) и системы передачи дан-

576

ных, но в последнее время наблюдается тенденция к слиянию этих функций. Более того, по данным проведенных исследований, объѐм передачи пакетных данных превышает объѐм голосового трафика.

Рассмотрим одну из технологий построения сетей беспроводной связи – LTE, обеспечивающую высокоскоростную передачу данных для мобильных устройств и других терминалов.

Возможность предоставления большего спектра услуг и увеличение скорости передачи данных была основной целью разработки технологии LTE, ещѐ одной целью было реконструировать и упростить архитектуру сетей основанных на IP, значительно уменьшив задержки при передаче данных по сравнению с архитектурой 3G сетей.

Стандарт LTE основан на GSM/EDGE и UMTS/HSPA сетевых технологиях, увеличивая пропускную способность и скорость за счѐт использования другого радиоинтерфейса вместе с улучшением архитектуры сети [2].

Развитие беспроводной связи сопровождается непрерывной сменой технологий, и LTE является естественной альтернативой, как для операторов с сетью GSM/UMTS, так и для операторов с сетью CDMA2000. По всему миру сети LTE используют разные частоты и полосы, что ставит задачу перед потребителями услуг связи иметь только многодиапазонные мобильные устройства.

Технология LTE позволяет обеспечить скорость загрузки до 326.4 мегабит/сек, скорость отдачи до 172.8 мегабит/сек, а задержка в передачи данных может быть снижена до 5 миллисекунд. LTE поддерживает полосы пропускания частот от 1.4 МГц до 20 МГц и поддерживает как частотное разделение каналов (FDD), так и временное разделение (TDD).

2. Принципы построения радиоинтерфейса по технологии LTE

LTE базируется на трѐх основных принципах: мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing), многоан-

тенные системы MIMO (Multiple Input Multiple Output), эволюционная системная архитекту-

ра сети - SAE (System Architecture Evolution).

Обмен данными между базовой станцией (БС) и мобильной станцией (МС) строится по принципу циклически повторяющихся кадров (радиокадров) [4].

Стандарт LTE предусматривает два типа радиокадров. Тип 1 предназначен для частотного дуплексирования – как для полного дуплекса, так и для полудуплекска. Тип 2 предназначен только для временного дуплексирования.

ВLTE используется модуляция OFDM/QAM. В нисходящем и восходящем каналах применение технологии OFDM различно. OFDM отвечает требованиям LTE к спектральной гибкости и позволяет создавать эффективные по затратам решения для широкополосных несущих с высокими пиковыми скоростями передачи данных. Это хорошо проработанная технология, о чем свидетельствует целый спектр стандартов, таких, как, например, IEEE

802.11a/b/g. 802.16, HIPERLAN-2, DVB и DAB.

Внисходящем канале OFDM использует много узкополосных поднесущих для обеспечения передачи. Базовый нисходящий канал LTE на физическом уровне можно рассматривать, как частотно-временную решетку. В частотной области, промежутки между поднесущими, ∆f, составляют 15 кГц. Кроме того, продолжительность "символа" OFDM составляет 1 / ∆f + префикс цикличности. Префикс цикличности используется для обеспечения ортогональности между поднесущими даже в условиях радиоканала с дисперсией по времени.

Один ресурсный элемент формируется модуляцией QPSK, 16QAM или 64QAM. В случае, если используется модуляция 64QAM, каждый ресурсный элемент обеспечивает передачу 6 бит информации.

577

Символы OFDM сгруппированы в ресурсные блоки. Ресурсные блоки имеют размер в 180 кГц в частотном измерении и 0.5 мс во временном измерении. Каждый временной ин-

тервал передачи (TTI, Transmission Time Interval) состоит из двух слотов (Tslot).

Каждому пользователю присваивается некоторое количество ресурсных блоков в частот- но-временной решетке. Чем больше ресурсных блоков назначается пользователю, и чем более высокая степень модуляции используется в формировании ресурсных элементов, тем больший получается битрейт. Какие ресурсные блоки будут назначены и сколько их получит пользователь в данный момент времени, зависит от модернизированного алгоритма составления частотно-временного расписания. Алгоритм составления расписания, используемый в LTE, похож на тот, что применяется в HSPA и обеспечивает оптимальное функционирование различных услуг в различных условиях.

В восходящем канале, LTE использует пре-кодированную версию OFDM под названием

SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access - множественный доступ с ча-

стотным разделением на базе одной несущей). Это предпринято для того, чтобы компенсировать расходы на OFDM, который отличается очень высоким отношением пиковой мощности к средней мощности радиосигнала (PARP - Peak to Average Power Ratio). Реализация высоких значений PARP требуют использования дорогих и неэффективных усилителей мощности, предъявляющих высокие требования к линейности, что сказывается на росте стоимости терминалов и быстроте разряда батарей.

SC-FDMA позволяет решить проблему за счет объединения ресурсных блоков таким образом, что сокращаются требования к линейности, а также к потребляемой мощности усилителя. Меньшие значения PARP кроме того улучшают покрытие и производительность соты.

Для сетей LTE консорциум 3GPP разработал архитектуру ядра сети – SAE. SAE основана

иявляется дальнейшим продолжением ядра сети GPRS, с некоторыми отличиями:

-упрощенная архитектура - архитектура SAE снижает эксплутационные и капитальные расходы. Новая, плоская модель, означает, что потребуется повысить пропускную способность узлов только двух типов (базовых станций и шлюзов), чтобы они справились с трафиком в случае его значительного роста.

-целиком построена на IP (All IP Network - AIPN) - Первые концепции 3G были разработаны, с тем, чтобы голос по-прежнему передавался по системе с коммутацией каналов. С тех пор наблюдался переход к IP-сетям. Соответственно архитектура SAE построена на базе IP-сети.

-обеспечивает большую пропускную способность на сети радиодоступа (radio access network - RAN) - предполагается, что нисходящий канал (Down Link) будет со

скоростью свыше 100 Мбит/с, и основное внимание системы будет сосредоточено мобильности полосы пропускания, от сети потребуется поддерживать гораздо больше уровней данных.

-обеспечивает меньшую задержку RAN - с увеличением требуемых уровней взаимодействия и более быстрых ответов, концепция SAE обеспечит уровень задержки в районе 10 мс.

-поддерживает мобильность между несколькими гетерогенными RAN,

включающим поддержку, как систем типа GPRS, так и не-3GPP систем (например WiMAX).

Ядро сети SAE включает в себя четыре ключевых компонента:

-Модуль управления мобильностью (Mobility Management Entity, MME)

обеспечивает хранение служебной информации об абоненте и управление ею, авторизацию терминальных устройств в наземных сетях мобильной связи и общее управление мобильностью;

-Модуль управления абонентом (User Plane Entity, UPE) отвечает за установление нисходящего соединения, шифрование данных, маршрутизацию и пересылку пакетов;

-3GPP – якорь играет роль шлюза между сетями 2G/3G и LTE;

578

- SAE – якорь используется для поддержания непрерывности сервиса при перемещении абонента между сетями, как соответствующими спецификациями 3GPP,

так и нет (I-WLAN и т.п.) [3].

Данные архитектурные изменения позволяют значительно уменьшить задержки передачи данных.

На настоящий момент все современные технологи беспроводной связи (включая LTE) стремятся повысить пропускную способность сети. Одним из способов увеличения пропускной способности в сетях LTE является использование многоантенных систем (MIMO). Техника (MIMO) в LTE максимально упрощена, так как абонентские устройства достаточно просты. В стандарте рассматриваются MIMO – схемы с использованием 1, 2 и 4 передающих и приемных антенн в различных сочетаниях. В MIMO – системах есть два основных вида передачи:

-пространственное мультиплексирование – каждый антенный канал транслирует независимый информационный поток;

-диверсифицированная передача – несколько антенных каналов используются для передачи одного потока данных.

3.Заключение

В настоящее время технология LTE претерпевает бурное развитие. Она является самой распространенной и перспективной из существующих технологий беспроводной связи. Основным преимуществом LTE перед другими технологиями является высокая скорость передачи данных. Благодаря тому, что LTE внедряется в имеющиеся сети и позволяет использовать имеющуюся инфраструктуру, появляется возможность плавного перехода к новым стандартам связи 4G.

Литература

1.Диязитдинов Р.Р. Системы связи с подвижными объектами: Конспект лекций. – Самара: ФГОБУ ВПО ПГУТИ, 2013. – 204 с.

3.Вишневский В.М., Портной С.Л., Шахнович И.В. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G. М.:

Техносфера, 2009. 472 с.

4.GPP TS 36.211. Physical Channels and Modulation (Release 8). – 3GPP, 12.2008.

Хамов Алексей Александрович

начальник цикла – старший преподаватель учебного военного центра СибГУТИ (630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86) тел. (383) 2-698-296, e-mail: aha.77@mail.ru

Судаков Виталий Владимирович

старший преподаватель учебного военного центра СибГУТИ (630102, Новосибирск, ул.

Кирова, 86) тел. (383) 2-698-349, e-mail: vit-su@mail.ru

579

Paper Preparation Manual for “Vestnik SibGUTI”

A.A. Hamov, V.V. Sudakov

LTE is a technology for building wireless networks, the following for 3G, providing high-speed data transfer for mobile devices and other terminals. The introduction of LTE will mark the transition from circuit-switched to packet-switched networks, and systems CDMA (WCDMA) for OFDMA systems. For the planned transition from the old network to the new required subscriber unit is able to work in networks 3G, and LTE networks. In addition, it is required to solve problems with allocation of new frequency resource or redistribution is already used. LTE uses OFDM modulation, a well-researched in DVB systems, Wi-Fi and WiMAX.

Keywords: LTE, OFDM.

580