Обзор методов адаптивного использования спектра

Обзор методов адаптивного использования спектра

И.В. Муравьев, Л.В. Перцев, Н.С. Исаенков

Национальный исследовательский университет «МИЭТ», НИЛ ИТС, Москва, Зеленоград.
Введение

Представленное исследование - часть поисковой научно-исследовательской работы «Исследование методов создания интеллектуальных систем связи, адаптирующихся к сложной радиочастотной обстановке, на основе технологии когнитивного радио (Cognitive Radio)», которая проводится в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы.

Одной из основных проблем, при развертывании беспроводных систем связи является ограниченность частотного ресурса [1] и его неэффективное использование (рис. 1) при жестком государственном регулировании, когда все области спектра частотного диапазона поделены и закреплены за конкретным оборудованием или ведомством. Большую часть времени оборудование, за которым закреплен тот или иной радиочастотный диапазон простаивает (рис. 2). Во время простоя основного пользователя диапазон потенциально мог быть использован другим абонентом для связи. Однако для успешной работы вторичному абоненту требуется анализировать состояние частотного спектра на предмет наличия деятельности в нем основных или других вторичных абонентов, а также шумовой обстановки. Методы анализа состояния и выбора диапазона для организации канала связи являются довольно сложными, требующие применения интеллектуальных алгоритмов. Их реализация стала возможной совсем недавно, в том числе и благодаря получившей в настоящее время широкое распространение технологии программного радио (Software Defined Radio). Созданные по данному принципу радиосистемы позволяют точно и, самое главное, быстро определять наличие мешающих факторов для организации канала связи между абонентами, и возможность динамически переконфигурировать (адаптировать) приемопередающий тракт на работу в другом радиочастотном канале или уменьшить влияние помех за счет применения динамических изменяемых в процессе работы алгоритмов цифровой обработки сигналов. Такие системы получили название когнитивного (интеллектуального) радио.

Рис. 1. Пример распределения спектра в Новой Зеландии.(Bruce Fette, Cognitive Radio Technology Second Edition, 2009)

Рис. 2. Использование радиочастотного спектра в полосе от 700 до 800 МГц в Нью Джерси в районе Хобокен за 18 часовой период (исследования проводил Shared Spectrum Corporation)

В радиоэфире, через который планируется установить соединение, постоянно присутствует большое количество различных излучений[2]. Одни из них генерируются соседними устройствами в сети, другие же вносятся сторонними излучающими устройствами – начиная от электростанций и заканчивая СВЧ-печами. Для конкретной линии связи все излучения, кроме собственных, будут считаться шумом и помехами[3].

Возможные влияния на полезный сигнал можно разделить на несколько больших групп:

естественные помехи от различных источников,
взаимные помехи от работающих рядом устройств,
организованные помехи с помощью спецсредств[4].

Помехи, вместе, либо по отдельности, оказывают влияние на электромагнитный сигнал, ухудшая его характеристики. Тем самым падает качество связи и параметры сигнала. Переданный сигнал претерпевает значительные изменения, вносимые различными эффектами распространения радиоволны. Чем больше расстояние между приёмником и передатчиком, тем сигнал затухает сильнее. Вносятся искажения, обусловленные дифракцией и интерференцией волн. Своё влияние могут оказывать погодные условия, будь то температура, или метеорологические явления – дождь, туман, снег. Кроме того, каждый узел связи может находиться в движении, что тоже вносит изменения в качество приёма. Таким образом, радиоканал является быстро изменяющейся системой с большим числом параметров. А при организации связи нужно решать вопросы не только устойчивого соединения, но и обеспечения требуемой пропускной способности, возможности регулирования нагрузки и т.д. Метод адаптации позволяет решить все описанные проблемы и задачи.

Рассмотрим основные способы адаптации, применяющихся в современных беспроводных сетях передачи данных[5].

Адаптация передатчика. Для характеристики устойчивости работы радиолинии вводится понятие надежности связи как процент времени приема с требуемой достоверностью на протяжении длительного периода времени. Эта надежность оценивается отношением числа коротких сеансов работы с допустимыми потерями достоверности к общему числу сеансов за длительный период времени. Чем больше этот период, тем больше возможные изменения сигнала. Поэтому надежность работы должна относиться к определенным периодам времени, например к определенным часам суток, к полным суткам, месяцу, сезону, году.

Величина Pп в общем случае включает в себя мощность Pвн, обусловленную внешними источниками радиопомех, и мощность Pш внутренних тепловых шумов антенны, фидера и приемника

Pп = Pвн + P ш = B (Pвн(1) + Pш(1)), (1)

где B . полоса пропускания приемника; Pвн(1) и Pш(1) . спектральные плотности мощностей внешних помех и внутренних шумов соответственно[6].

Определение качества сигнала основывается на измерении BER (bit error rate) (частота появления ошибок). Это позволяет оценить качество сигнала, путём определения уровня ошибок. Данный способ даёт подробную информацию о возможных потерях в линии, но очень не удобен, если скорость связи не превышает нескольких кбит/с, а измерение BER для высокой достоверности может занимать большие промежутки времени[7].

Адаптация передатчика к линии радиосвязи подразумевает оптимальной выбор схемы используемой модуляции (например, ФМ-2,ФМ-4,КАМ). Этот метод требуется для эффективного использования доступного спектра. С применением оптимальной модуляции, следует выбор подходящего типа кодирования. Передатчик подбирает тип модуляции и схему кодирования, основываясь на информации о состоянии канала. Оценка канала и переход на определённый тип модуляции и кодирования, происходит согласно заложенным алгоритмам.

Адаптивная система распределения ресурсов. Адаптивное выделение ресурсов контролирует состояние канала и уровень интерференции в зависимости от нагрузки. К примеру, в требуемые моменты времени система увеличивает мощность, либо задействует дополнительные частотные диапазоны для поддержания требуемого качества связи.

В отличие от систем связи с фиксированными значениями частотных диапазонов для передачи, в системах с нефиксированным диапазоном возможен адаптивный выбор полосы передачи. С помощью данной технологии можно добиться эффективного использования частотной полосы, изменяя параметры передачи по факту загрузки линии. Возможно выделение большей пропускной способности определённому пользователю.

Адаптация приёмника. Во многих современных системах адаптация производится не только передатчиком (в большинстве случаев его роль играет базовая станция), но и приёмником. Происходит это по факту измерения одного из трёх параметров:

Отношение сигнала к уровню шума и интерференции (SINR (Signal Interference + Noise Ratio)).
Количество ошибок при передаче (BER).
Уровень входного сигнала (RSSI (Received Signal Strength Indication)).

После этого выбираются необходимые для приёмника параметры сигнала, и полученные данные отправляются на базовую станцию (либо на противоположную сторону линии связи) для корректировки параметров. Для обеспечения максимального качества связи уровень SNR (Signal-to-noise ratio) должен быть как можно выше, а BER должен быть минимальным.

Рассмотрим основные из уже существующих способов адаптации, которые применяются в реальных системах связи.

В системах беспроводной связи основанных на базе стандартов IEEE 802.11 используются два адаптивных алгоритма[8], которые позволяют беспроводному устройству динамически оптимизировать одновременно несколько параметров доступа к среде передачи в ответ на динамические изменения параметров связи.

Первый алгоритм - выбор наилучшего узла доступа. Если в системе связи есть несколько узлов доступа, то необходимо выбрать, с каким узлом лучше установить соединение для требуемого качества связи. Устройство собирает информацию о соотношении сигнал/шум (SNR), о загрузке каждой базовой станции и о подключённых узлах в целом. В зависимости от этих параметров, для каждой из имеющихся базовых станций мобильное устройство выбирает наиболее предпочтительную базовую станцию. От интенсивности принятых сигналов, мобильная станция выбирает, к какой базовой станции ей подключаться.

Недостатком алгоритма является что, пропускная способность в расчете на узел, а вместе с ней и производительность падают при увеличении количества пользователей, пользующихся каналом.[9]

Второй алгоритм - адаптивное управление MAC-уровнем(Media Access Control). Этот алгоритм, также предусматривает подробный анализ параметров среды, и даёт устройству возможность динамически менять различные параметры MAC-уровня. Как и алгоритм выбора наилучшего узла доступа, адаптивный алгоритм управления MAC-уровнем пытается найти оптимальные настройки для конкретных параметров связи.

В системах, предназначенных для передачи высококачественной речи и трафика данных в условиях значительной плотности абонентов (DECT - Digital Enhanced Cordless Telecommunication), нагрузка распределена неравномерно, и ее пиковые значения изменяются во времени и в пространстве. Для обеспечения надежной связи необходимо организовать динамический поиск каналов. Алгоритмы динамической адаптации в таки системах осуществляют функцию частотного планирования.

Прежде чем выбрать канал связи, устройство выполняет измерение уровней сигналов (RSSI) от базовых станций (БС) и выбирает лучший сигнал от БС. Уровень радиосигнала - главный критерий, определяющий пригодность радиоканала для связи. Результаты этих измерений, фактически оценка помеховой обстановки, заносятся в базу данных и постоянно обновляются. Переключение с одной базовой станции на другую осуществляется в том случае, когда качество канала становится ниже, чем допустимое.

Сети Bluetooth и сети стандарта 802.11b работают в общей полосе частот, шириной 83.5МГЦ (2.41Гц - 2.4835ГГц). Из-за того, что 802.11b и Bluetooth по разному используют частотный спектр, они могут создавать друг другу значительную интерференцию. Bluetooth использует метод расширения спектра с помощью скачкообразной перестройки частоты. Для определения состояния радиочастотной обстановки системы Bluetooth использует два алгоритма адаптации.

Адаптивный выбор типа пакета. Пакеты Bluetooth несут различную полезную информацию, в зависимости от количества слотов, отведенных под пакет. Уменьшение длины пакета, например, до однослотового, уменьшит уязвимость пакета при интерференции, а это увеличит вероятность правильного приема. Использование более коротких пакетов Bluetooth может увеличить пропускную способность при наличии интерференции. Однако, с уменьшением длины пакетов, возрастает их количество, соответственно, возрастают затраты на обработку заголовков и время простоя между скачками частоты, которое требуется синтезатору для переключения прием/передача. При слишком большом количестве пакетов наступит момент, когда уменьшение пакета не улучшает пропускную способность.

Адаптивная перестройка частоты. Из-за неограниченного доступа к ISM (Industrial, Scientific, Medical) диапазону, устройства Bluetooth подвергаются высокому уровню интерференции от других приборов, работающих в этом же диапазоне, таких как микроволновые печи, сотовые телефоны и т.д. Кроме того, источниками интерференции могут быть беспроводные локальные сети, работающие по стандарту 802.11b. Адаптивная перестройка частоты (Adaptive Frequency Hopping — AFH) предполагает активное изменение алгоритма перестройки частоты с учетом анализа спектра, и таким образом, позволяет предотвращать интерференцию.

Рассмотрим КВ (коротко волновая) – радиосвязь[10]. В основе надежной современной КВ радиосвязи лежит адаптивный подбор наилучшей рабочей частоты (ALE - Automatic Link Establishment). ALE сканирует заранее запрограммированные рабочие частоты и передаёт тональные посылки с анализом силы принимаемых сигналов и соотношения сигнал-шум. Для измерения параметров KB канала передается измерительный сигнал. По результатам измерений устанавливаются коэффициенты передачи в отводах линии задержки согласованного фильтра, который обеспечивает восстановление сигнала. Информация передается циклами, в каждый из которых входят:

передача измерительного сигнала,
анализ параметров KB канала,
настройка согласованного фильтра,
передача информации.

В радиосистеме на основе измерения и оценки параметров рабочего канала изменяется степень сложности кодирования. В системе используется четырехкратная разностно-фазовая манипуляция на 25 несущих. Скорость передачи 2400 бит/с. Хорошие результаты, при умеренной многолучевости, дают системы с линейно-частотной модуляцией. Однако, при большой многолучевости, такие системы оказываются неустойчивыми. Явление затухания рассматривают как временное рассеяние сигнала (таблица 1).

Таблица 1. Проявление многолучевого затухания как временного рассеивания сигнала.

Характеристика	Частотно-выборочное затухание	Неглубокое замирание
Временная область
Частотная область
Ухудшение сигнала	ISI, ухудшение отношения сигнал\шум	Ухудшение отношения сигнал\шум
Подавление	Балансировка канала, расширение спектра (РЕЙК), ортогональная модуляция (OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов)	Разнесение, контроль ошибок, контроль мощности

Еще одна система многопараметрической адаптивной радиосвязи, построена на базе процессора и семейств быстроперенастраиваемых KB радиостанций. Встроенный процессор обеспечивает выбор оптимальной частоты по результатам выполняемого долгосрочного прогноза условий распространения, измерения уровней принимаемого сигнала. Адаптация в процессе ведения связи обеспечивается:

перестройкой на оптимальные частоты
изменением мощности излучения
скорости передачи данных и переключением используемых антенн.

Таблица 2. Свойства современных радиосистем.

Свойства радио	Software capable radio	Software programmable radio	Software defined radio	Aware Radio	Adaptive radio	Cognitive radio
Перескок частоты	+	+	+	+	+	+
Автоматическое установление соединения (то есть выбор канала)	+	+	+	+	+	+
Программируемое шифрование	+	+	+	+	+	+
Возможность организации сети		+	+	+	+	+
Возможность взаимодействия множества сигнала		+	+	+	+	+
Возможность обновления «в полевых условиях»		+	+	+	+	+
Полный програмный контроль всех сигнальных процессов, шифрования и сетевой функциональности			+	+	+	+
QoS измерительный канал состояние сбора информации				+	+	+
Модификация радио параметров, как функция датчиков входа					+	+
Изучение радио обстановки						+
Опримизация с различными настройками						+

Вывод

Результатом дальнейшей работы будет метод, позволяющий эффективно использовать радиочастотный ресурс за счет применения сложных интеллектуальных алгоритмов, анализа радиочастотной обстановки и динамической перенастройки параметров радиоканала. Разработка способов сбора, накопления и обработки информации, поступающий с блоков ЦОС, должно позволить создать систему связи, адаптирующуюся к условиям работы, а также повысить пропускную способность сети, за счет более эффективного использования радиочастотного ресурса. В ходе выполнения исследований будут созданы математические модели, которые позволят в процессе работы системы отслеживать негативные факторы на работающей частоте и производить поиск радиочастоты с лучшими характеристиками, также производить реконфигурацию, в режиме реального времени, приемопередающего тракта с целью его адаптации к условиям работы системы.

Литература

. Галкин В.А. Цифровая мобильная радиосвязь. М.: - Горячая линия – Телеком, 2007.
Хорев А.А. Способы и средства защиты информации. – М: МО РФ, 1998 – 316 с.
Cистемы радиосвязи А.А. Зеленский, В.Ф. Солодовник. – Учеб. пособие. Ч. 3. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т "Харьк. авиац.ин-т", 2003. – 89 с.
Панков Л.Н., Асланянц В.Р., Долгов Г.Ф., Евграфов В.В. Основы проектирования электронных средств: Учеб. Пособие. // Владим. гос. ун-т. Вла-димир, 2007г.
Уидроу Б. Адаптивная обработка сигналов. Пер. с англ. – М.: «Радио и связь», 1989. – 440 c.
Благовещенский Д. В. Б68 Радиосвязь и электромагнитные помехи: Учеб. пособие// СПбГУАП. СПб., 2002. 70 с.: ил.
Джастин Редд, Оценка частоты появления ошибок в цифровых системах связи, CHIP NEWS, 2009.
James M. Wilson, The Next Generation of Wireless LAN Emerges with 802.11, Technology@Intel Magazine, www.intel.com, 2004. – p. 18.
Мещеряков Д.В. Разработка методики и алгоритмов адаптации в радиолиниях ДКМВ. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. – Самара, 2008. – 16 с.
Головин О.В. Простов С.П. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи //Под ред. профессора О.В. Головина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2006. – 598с., ил