인지 라디오

Cognitive radio

인지 라디오(CR)는 사용자의 간섭과 혼잡을 피하기 위해 주변 최고의 무선 채널을 사용하도록 동적으로 프로그래밍하고 구성할 수 있는 라디오다. 그러한 라디오는 무선 주파수에서 가용 채널을 자동으로 감지한 다음, 따라서 송신 또는 수신 매개변수를 변경하여 주어진 주파수 대역에서 더 많은 동시 무선 통신을 한 위치에서 허용한다. 이 프로세스는 동적 주파수 관리의 한 형태다.

설명

운영자의 명령에 대응하여, 인지 엔진은 무선 시스템 매개변수를 구성할 수 있다. 이러한 매개변수에는 "파형, 프로토콜, 작동 주파수 및 네트워킹"이 포함된다. 이것은 통신 환경에서 그것이 접속하는 네트워크 및 기타 인지 라디오(CR)와 환경에 관한 정보를 교환하면서 자율적인 단위로 기능한다. CR은 "무선 출력 판독" 외에 "자체 성능을 지속적으로 감시"하며, 이 정보를 사용하여 "RF 환경, 채널 조건, 링크 성능 등을 결정하고, 사용자 요구 사항, 운영자 등의 적절한 조합에 따라 필요한 서비스 품질을 제공하도록 무선 설정을 조정한다."온라인 제한사항 및 규제 제약사항"

일부 "스마트 라디오" 제안은 무선 메시 네트워크 (협동적 다양성을 사용하여 주어진 두 노드 사이에 걸리는 경로 변화), 인지 라디오 (경로 상의 두 개의 연속된 노드 사이의 메시지에 사용되는 주파수 대역 변화), 소프트웨어 정의 라디오 (경로 b)가 사용하는 프로토콜을 동적으로 변화시킴)를 결합한다.두 개의 연속된 노드 사이에

역사

인지라디오의 개념은 1998년 조지프 미톨라 3세가 스톡홀름 KTH 왕립기술원 세미나에서 처음 제안해 미톨라와 제럴드 Q의 기사에 실렸다. 1999년 맥과이어 주니어 그것은 무선 통신의 새로운 접근법이었는데, 미톨라는 나중에 다음과 같이 묘사했다.

무선 개인휴대단말기(PDA)와 관련 네트워크가 무선자원 및 관련 컴퓨터간 통신에 대해 충분히 계산적으로 지능화 되어 사용자 통신의 필요성을 이용 컨텍스트로서 감지하고, 그러한 ne에 가장 적합한 무선 자원 및 무선 서비스를 제공하는 지점eds

[1]

인지 라디오는 소프트웨어 정의 라디오 플랫폼이 진화해야 하는 목표로 간주된다. 즉, 네트워크와 사용자 요구에 따라 통신 매개변수를 자동으로 조정하는 완전히 재구성 가능한 무선 송수신기.

전통적인 규제 구조는 아날로그 모델을 위해 만들어졌으며 인지 라디오에 최적화되어 있지 않다. 세계의 규제 기관(미국 연방통신위원회 및 영국의 Ofcom 포함)과 다른 독립적 측정 캠페인은 대부분의 무선 주파수 주파수가 비효율적으로 활용되었음을 발견했다.[2] 셀룰러 네트워크 대역은 세계 대부분의 지역에서 과부하되지만, 다른 주파수 대역(군사, 아마추어 무선, 페이징 주파수 등)은 충분히 활용되지 못하고 있다. 일부 국가에서 수행한 독립적인 연구는 관찰 결과를 확인했으며, 주파수 이용은 시간과 장소에 따라 다르다고 결론 내렸다. 더욱이 고정 주파수 할당은 무면허 사용자가 지정 서비스에 현저한 간섭을 일으키지 않더라도 거의 사용되지 않는 주파수(특정 서비스에 할당된 주파수)를 사용하지 못하게 한다. 세계의 규제 기관들은 허가된 대역의 무면허 사용자가 허가된 사용자에게 어떠한 간섭도 일으키지 않을 경우 허가된 대역의 무면허 사용자들을 허용할지 여부를 검토해 왔다. 이러한 이니셔티브는 동적 주파수 접근에 인지-무선 연구에 초점을 맞추었다.

최초의 인지 무선 무선 지역 네트워크 표준인 IEEE 802.22는 IEEE 802 LAN/MAN 표준 위원회(LMSC)[3]에 의해 개발되어 2011년에 간행되었다. 이 표준은 스펙트럼 인식을 위해 지리 위치 및 스펙트럼 감지를 사용한다. 지리 위치는 그 지역의 허가된 송신기의 데이터베이스와 결합하여 인지 무선 네트워크가 사용할 수 있는 가용 채널을 식별한다. 스펙트럼 감지는 스펙트럼을 관찰하고 점유 채널을 식별한다. IEEE 802.22는 사용되지 않는 주파수 또는 시간의 조각을 한 위치에서 활용하도록 설계되었다. 이 하얀 공간은 지리적으로 위치한 지역에서 사용되지 않는 텔레비전 채널이다. 그러나 인지 라디오가 항상 사용하지 않는 동일한 공간을 점유할 수는 없다. 주파수 가용성이 변화함에 따라 네트워크는 면허된 전송에 대한 간섭을 방지하기 위해 적응한다.[4]

용어.

송신 및 수신 파라미터에 따라, 인지 라디오의 두 가지 주요 유형이 있다.

  • 무선 노드(또는 네트워크)가 관측할 수 있는 모든 가능한 매개변수를 고려하는 완전 인지 라디오(Mitola 라디오).[5]
  • 주파수 스펙트럼만 고려하는 스펙트럼 감지 인지 라디오.

다른 유형은 인지 라디오에 사용할 수 있는 주파수의 일부에 따라 달라진다.

  • 라이센스 대역 인지 라디오(U-NII 대역 또는 ISM 대역과 같은 라이센스 없는 대역 제외)를 라이센스 사용자에게 할당된 밴드를 사용할 수 있음. IEEE 802.22 워킹그룹은 TV 화이트 스페이스라고도 알려진 미사용 텔레비전 채널에서 작동할 무선 지역 네트워크(WRAN) 표준을 개발하고 있다.[6][7]
  • 무선 주파수(RF) 스펙트럼의 무면허 부분만 활용할 수 있는 무면허 대역 인지 라디오.[citation needed] 그러한 시스템 중 하나는 IEEE 802.11과 블루투스의 공존에 초점을 맞춘 IEEE 802.15 작업 그룹 2 규격에 설명되어 있다.[8][citation needed]
  • 스펙트럼 이동성: 인지-무선 사용자가 작동 빈도를 변경하는 프로세스. 인지-무선 네트워크는 더 나은 주파수로 전환하는 동안 원활한 통신 요건을 유지하면서 무선 단말기가 가장 가용한 주파수 대역에서 작동할 수 있도록 허용함으로써 주파수를 역동적으로 사용하는 것을 목표로 한다.
  • 주파수 공유[9]: 주파수 공유 인지 무선 네트워크는 인지 무선 사용자가 면허를 받은 대역 사용자의 주파수 대역을 공유할 수 있도록 한다. 그러나 인지 무선 사용자는 허가된 대역 사용자에게 야기되는 간섭이 일정한 임계값 미만으로 유지되도록 전송력을 제한해야 한다.
  • 감지 기반 스펙트럼 공유:[10] 센싱 기반 주파수 공유 인지 라디오 네트워크에서 인지 라디오 사용자는 먼저 허가된 사용자에게 할당된 주파수를 청취하여 허가된 사용자의 상태를 탐지한다. 인지 라디오 사용자는 검출 결과에 따라 전송 전략을 결정한다. 면허를 받은 사용자가 이 밴드를 사용하지 않을 경우, 인지 무선 사용자들은 이 밴드를 통해 전송될 것이다. 면허를 받은 사용자가 이 대역을 사용하는 경우, 인지 무선 사용자들은 송신 전력을 제한하여 면허를 받은 사용자와 주파수 대역을 공유한다.
  • 데이터베이스 지원 주파수 공유,:[11][12][13] 이러한 주파수 공유의 형식에서 인지 무선 사용자는 공유 주파수에 대한 접근이 허용되거나 거부되기 전에 화이트 스페이스 데이터베이스에 접근해야 한다. 화이트 스페이스 데이터베이스에는 지리적 영역의 주파수 이용률을 예측하고 공유 주파수에 접근하는 인지 무선 사용자에 의한 기존 서비스에 대한 간섭 위험을 유추하기 위한 알고리즘, 수학적 모델 및 로컬 규정이 포함되어 있다. 화이트 스페이스 데이터베이스가 기존 사용자에 대한 파괴적 간섭이 발생할 것으로 판단하는 경우, 인지 무선 사용자는 공유 주파수에 대한 접근을 거부한다.

기술

인지 라디오는 처음에는 소프트웨어 정의 무선 확장(완전 인지 라디오)으로 생각되었지만, 대부분의 연구 연구는 스펙트럼 감지 인지 라디오(특히 TV 대역에서)에 초점을 맞추고 있다. 주파수 감지 인지 라디오의 주요 문제는 노드 간에 주파수 감지 데이터를 교환하기 위한 고품질 주파수 감지 장치와 알고리즘을 설계하는 것이다. 단순한 에너지 검출기는 신호 존재의 정확한 감지를 보장할 수 없는 것으로 나타났으며,[14] 보다 정교한 스펙트럼 감지 기법을 요구하고, 주파수 감지 정보를 노드 간에 정기적으로 교환할 것을 요구하고 있다. 협력 감지 노드 수를 늘리면 잘못된 탐지 가능성이 감소한다.[15]

OFDMA를 사용하여 자유 RF 밴드를 적응적으로 채우는 것이 가능하다. 티모 A. 칼스루헤 대학의 Weiss와 Friedrich K. Jondral은 주파수 풀링 시스템을 제안했는데, 주파수 풀링 시스템에서는 자유 대역(노드가 분사)이 OFDMA 하위 대역에 의해 즉시 채워진다. 주파수 감지 인지 라디오의 애플리케이션에는 비상 네트워크와 WLAN의 높은 처리량과 전송 거리 확장이 포함된다. 인지 라디오의 인지기능 네트워크로의 진화가 진행되고 있다; 인지 네트워크의 개념은 인지 라디오의 네트워크를 지능적으로 구성하는 것이다.

함수

인지 라디오의 주요 기능은 다음과 같다.[16][17]

  • 전원 제어: 전력 제어는[18] 보통 1차 사용자를 보호하기 위해 간섭 전력 제약으로 2차 사용자의 용량을 최대화하기 위해 주파수 공유 CR 시스템에 사용된다.
  • 스펙트럼 감지: 사용하지 않는 주파수를 검출하고 공유하는 것, 다른 사용자에 대한 유해한 간섭 없이; 인지-무선 네트워크의 중요한 요건은 빈 주파수를 감지하는 것이다. 1차 사용자 검출은 빈 스펙트럼을 검출하는 가장 효율적인 방법이다. 주파수 감지 기법은 세 가지 범주로 분류할 수 있다.
    • 송신기 감지: 인지 라디오는 1차 송신기의 신호가 특정 스펙트럼에 국소적으로 존재하는지를 판단할 수 있는 능력이 있어야 한다. 송신기 감지에 대한 몇 가지 제안된 접근법이 있다.
      • 일치 필터 탐지
      • 에너지 감지: 에너지 검출은 수신 신호 출력을 측정하는 것만으로 신호의 존재/부재를 감지하는 스펙트럼 감지 방법이다.[19] 이러한 신호 감지 접근법은 실제 구현에 매우 쉽고 편리하다. 그러나 에너지 검출기를 구현하려면 소음 분산 정보가 필요하다. 소음력(소음 불확실성)에 대한 불완전한 지식은 SNR 벽의 현상으로 이어질 수 있다는 것을 보여주었는데, SNR 레벨은 에너지 검출기가 관측 시간을 증가시키더라도 전송 신호를 신뢰성 있게 검출할 수 없는 수준보다 낮은 SNR 레벨은 SNR 레벨이다.[20] 또한[21] SNR 벽은 소음 불확도 그 자체로 인한 것이 아니라 관측 시간이 증가하는 동안 소음 전력 추정의 불충분한 정교화에 의한 것으로 나타났다.
      • 사이클로스터리 기능 탐지: 이러한 유형의 주파수 감지 알고리즘은 BPSK, QPSK, AM, OFDM 등과 같은 인간이 만든 통신 신호 대부분이 사이클로스테리거동을 보이기 때문에 동기가 부여된다.[22] 그러나 소음 신호(일반적으로 백색 노이즈)는 사이클로스트레이션 동작을 나타내지 않는다. 이러한 검출기는 소음 분산 불확실성에 대해 강력하다. 그러한 검출기의 목적은 소음에 묻혀 있는 인공 통신 신호의 사이클로스트레이션 특성을 이용하는 것이다. 이들의 주요 의사결정 매개변수는 1차 신호의 CSD가 구한 0이 아닌 값을 비교하는 것이다.[23] 사이클로스트레이션 검출기는 단일 사이클 또는 다중 사이클 사이클 사이클로스타토너리일 수 있다.
  • 광대역 스펙트럼 감지: 일반적으로 수백 MHz 또는 심지어 몇 GHz의 큰 스펙트럼 대역폭을 통한 스펙트럼 감지를 말한다. 기존 ADC 기술은 고해상도로 높은 샘플링 속도를 감당할 수 없기 때문에, 예를 들어 압축 센싱과 서브 나이키스트 샘플링과 같은 혁명적인 기술이 필요하다.[24]
    • 공동 탐지: 다수의 인지-무선 사용자의 정보가 1차 사용자 탐지를[25] 위해 통합되는 주파수 감지 방법 참조
    • 간섭 기반 탐지
  • Null-space 기반 CR: 여러 안테나의 도움으로 CR은 1차 사용자의 null-space를 감지한 다음, null-space 내에서 전송하여 후속 전송으로 1차 사용자에게 간섭을 덜 발생시킨다.
  • 주파수 관리: 다른 (기본) 사용자에 대한 과도한 간섭을 일으키지 않으면서 사용자 통신 요건을 충족하기 위해 사용 가능한 최선의 주파수 캡처 인지 라디오는 서비스 품질 요건을 충족하기 위해 (사용 가능한 모든 대역 중) 최고의 주파수 대역을 결정해야 한다. 따라서 인지 라디오의 경우 주파수 관리 기능이 필요하다. 주파수 관리 기능은 다음과 같이 분류된다.
    • 스펙트럼 분석
    • 스펙트럼 결정[26][27]

주파수 관리 기능의 실질적인 구현은 다양한 기술적 및 법적 요건을 다루어야 하기 때문에 복잡하고 다면적인 문제다. 전자의 예로는 다른 사용자를 감지하기 위해 적절한 감지 임계값을 선택하는 것이 있으며, 후자는 국제(ITU 무선 규제) 및 국가(통신법) 법률에서 무선 주파수 접속을 위해 정해진 규칙과 규정을 충족해야 한다는 점이 예시된다.

인텔리전트 안테나(Intelligent Antenna)

인텔리전트 안테나(또는 스마트 안테나)는 공간 빔 형성 및 공간 코딩을 이용해 간섭을 취소하는 안테나 기술이지만, 복잡한 통신 환경에 적용할 수 있도록 지능형 다중 또는 협력-안테나 어레이로 확장할 수 있는 애플리케이션이 등장하고 있다. 이에 비해 인지 라디오는 사용자 단말기가 주파수의 일부가 인접 사용자와 주파수를 공유하기 위해 사용되는지 여부를 감지할 수 있도록 한다. 다음 표는 두 가지를 비교한다.

포인트 인지 라디오(CR) 인텔리전트 안테나(Intelligent Antenna)
주목표 오픈 스펙트럼 공유 주변 공간 재사용
간섭 처리 스펙트럼 감지에 의한 회피 공간 사전 코딩/사후 코딩에 의한 취소
주요원가 스펙트럼 감지 및 멀티밴드 RF 다중 또는 공동 안테나 어레이
도전 알고리즘 주파수 관리 기술 지능형 공간 빔포밍/코딩 기술
응용기법 인지 소프트웨어 라디오 일반화된 더러운 종이 부호화 및 Wyner-Ziv 부호화
지하로 접근 직교 변조 셀룰러 기반 소형 셀
경쟁력 있는 기술 대역 활용도를 높이기 위한 초광대역 공간 재사용을 위한 멀티 섹터(3, 6, 9 등)
요약 인지 스펙트럼 공유 기술 지능형 주파수 재사용 기술

두 기법은 현대의 많은 전송 시나리오에서 예시된 바와 같이 결합될 수 있다는 점에 유의하십시오.[28]

협동조합형 MIMO(CO-MIMO)는 두 가지 기법을 조합한다.

응용 프로그램

인지 라디오(CR)는 그 환경을 감지할 수 있으며, 사용자의 개입 없이 미국의 FCC 규칙을 준수하면서 사용자의 통신 요구에 적응할 수 있다. 이론적으로 스펙트럼의 양은 무한하다. 실제로 전파 및 기타 이유로 특정 스펙트럼 부분의 만족도 때문에 유한하다. 할당된 주파수는 완전히 활용되는 것과는 거리가 멀며, 효율적인 주파수 사용은 증가하는 우려 사항이다. CR은 이 문제에 대한 해결책을 제공한다. CR은 주파수의 어떤 부분이 사용 중인지 지능적으로 검출할 수 있으며, 다른 사용자의 전송에 간섭하지 않고 일시적으로 사용할 수 있다.[29] 브루스 페트에 따르면 "라디오의 다른 인지 능력으로는 위치 결정, 이웃 기기에 의한 스펙트럼 사용 감지, 주파수 변경, 출력 전력 조정, 전송 파라미터 및 특성 변경 등이 있다. 이러한 모든 기능 및 아직 실현되지 않은 다른 기능들은 무선 주파수 사용자에게 실시간 주파수 조건에 적응할 수 있는 능력을 제공하여 규제자, 면허 및 일반 대중에게 주파수의 유연하고 효율적이며 포괄적인 사용을 제공할 것이다."

애플리케이션의 예는 다음과 같다.

  • 백색공간을 활용한 비상 및 공공안전 통신에 CR망 적용
  • DSA(Dynamic Spectrum Access) 실행을 위한 CR 네트워크의 가능성
  • CR 네트워크를 화학 생물학적 방사선과 핵공격 탐지 및 조사, 지휘통제, 전투피해평가 정보 획득, 전장감시, 정보지원, 표적화 등 군사행동에 적용한다.[34]
  • 또한 당도, 혈압, 혈액 산소, 심전도(ECG) 등 환자의 중요한 정보를 의사에게 즉시 알릴 수 있도록 도와주는 만능 환자 모니터링에 활용할 수 있는 Medical Body Area Networks(의료 신체 영역 네트워크) 구축에도 도움이 된다는 것이 입증되었다. 이것은 감염의 위험을 줄일 수 있는 추가적인 이점을 제공하며 또한 환자의 이동성을 증가시킨다.
  • 인지 라디오는 1차 및 2차 대기열을 사용하여 지연 없이 최소한의 전력 소비로 패킷을 전달할 수 있는 무선 센서 네트워크에도 실용적이다.[35]

CR망 시뮬레이션

현재, 모델링과 시뮬레이션은 주어진 환경의 인지 무선 네트워크에서 복잡한 행동의 시뮬레이션을 가능하게 하는 유일한 패러다임이다. OPNET, NetSim, MATLAB 및 ns2와 같은 네트워크 시뮬레이터를 사용하여 인지 무선 네트워크를 시뮬레이션할 수 있다. CogNS는 인지 무선 네트워크를 위한 오픈 소스 NS2 기반 시뮬레이션 프레임워크다. 네트워크 시뮬레이터를 이용한 연구 분야는 다음과 같다.

  1. 스펙트럼 감지 및 기존 검출
  2. 스펙트럼 할당
  3. 주파수 사용의 측정 및/또는 모델링
  4. 주파수 이용 효율

Network Simulator 3 (ns-3)은 CR 시뮬레이터를 시뮬레이션하기 위한 실행 가능한 옵션이기도 하다.[39] Atheros WiFi 장치와 같은 범용 하드웨어의 도움으로 NS-3를 사용하여 CR 네트워크를 에뮬레이트하고 실험할 수도 있다.[39]

미래계획

무면허 대역의 성공으로 인해 FCC는 무면허 사용을 위한 추가 대역 개설을 검토하게 되었다. 이와는 대조적으로, 면허된 대역은 정적 주파수 할당으로 인해 활용도가 낮다. FCC는 CR 기술이 기존 사용자에게 간섭을 일으키지 않고 비효율적으로 활용되는 면허 대역을 이용할 수 있다는 것을 깨닫고 TV 방송 대역에서 무면허 라디오를 작동할 수 있도록 하는 규칙 제정 고시를 발표했다. 2004년 11월에 결성된 IEEE 802.22 워킹그룹은 TV 서비스에 할당된 주파수에서 무면허 장치의 작동을 위한 무선 지역 네트워크의 무선 인터페이스 표준(CR 센싱 기반)을 정의하는 임무를 맡고 있다.[40] TV 주파수의 무면허 이용에 대한 FCC 이후의 규정을 준수하기 위해 IEEE 802.22는 기존 서비스에 대한 간섭을 피하기 위해 필수 TV 화이트 스페이스 데이터베이스에 대한 인터페이스를 정의했다.[41]

참고 항목

참조

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