Marek Sucha ski Robert Matyszkiel r

Marek Sucha ski
[email protected]
Robert Matyszkiel
[email protected]
Paweł Kaniewski
[email protected]
Wojskowy Instytut Ł czno ci
05-130 Zegrze Płd ul. Warszawska 22 A
Wrocław, 10-12 czerwca 2013
Piotr Gajewski
[email protected]
Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Telekomunikacji
ul. Gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 WARSZAWA
KIERUNKI ROZWOJU SYSTEMÓW ZARZ DZANIA WIDMEM
Streszczenie: Wobec gwałtownego rozwoju systemów
bezprzewodowych nast puje przeci enie widma i pojawiaj si jego niedobory. W referacie scharakteryzowano
kierunki rozwoju systemów zarz dzania widmem maj cych
na celu zwi kszenie efektywno ci wykorzystania tego zasobu naturalnego poprzez zapewnienie dynamicznego dost pu do widma zarówno w pasmach licencjonowanych, jak
i ogólnie dost pnych. Omówiono opracowany przez autorów broker cz stotliwo ci jako metod realizacji koordynowanego trybu dynamicznego dost pu do widma.
1.
WST P
Stosowane dotychczas statyczne metody zarz dzania i u ytkowania widma prowadz do drastycznie niskiej efektywno ci wykorzystania tego zasobu naturalnego. Wykazuj to pomiary wykonywane w ró nych
cz ciach wiata. Sytuacj t ilustruj m. in. wyniki
pomiarów przedstawione na Rys 1 cytowane za [1].
Rys. 1 rednia zaj to widma dla poszczególnych podpasm w wybranych lokalizacjach w USA
Prognoza wzrostu wykorzystania fragmentu widma
przeznaczonego dla szerokopasmowych systemów mobilnych, opracowana przez narodowego regulatora USA
(FCC – Federal Communications Commision), przewiduje pojawienie si ju w 2014 roku znacz cego deficytu
widma dla tych systemów Rys. 2 cytowane za [2].
Rys. 2 Prognozy wzrostu ruchu w sieciach bezprzewodowych i zapotrzebowania na cz stotliwo ci według
FCC
Obserwowany obecnie gwałtowny rozwój systemów bezprzewodowych stał si przyczyn poszukiwania
bardziej efektywnych metod u ytkowania widma. Inspiracj do takich poszukiwa stanowiły równie współczesne do wiadczenia wyniesione z eksploatacji militarnych
systemów radiowych, charakteryzuj cych si bardzo
du dynamik , wynikaj c z ci głego ich przemieszczania, a zatem z systematycznej zmienno ci otaczaj cego rodowiska elektromagnetycznego. Ta sytuacja stała
si ródłem nowego paradygmatu tzw. dynamicznego
dost pu do widma (DSA – Dynamic Spectrum Access) i
co za tym idzie dynamicznego zarz dzania widmem
(DSM – Dynamic Spectrum Management). Terminem
DSM okre la si ró norodne działania, takie jak np.
dynamiczne przydzielanie kanałów, przeznaczanie pasm
cz stotliwo ci, współdzielenie widma oraz dost p zarówno do licencjonowanych, jak i nielicencjonowanych
fragmentów widma m.in. poprzez wykorzystanie nieu ywanych chwilowo fragmentów widma (tzw. "spectrum holes").
W literaturze rozwa a si dwie podstawowe architektury (tryby) dynamicznego dost pu do widma, a mianowicie [3]:
koordynowany dynamiczny dost p do widma
(ang. Coordinated Dynamic Spectrum Access CDSA), polegaj cy na wykorzystaniu pewnej in-
frastruktury z brokerem widma, jako jej głównym
elementem,
oportunistyczny dost p do widma (ang. Opportunistic Spectrum Access - OSA), który realizuje
ide oportunistycznego współdzielenia pasma,
z przestrzeganiem zasady niezakłócania innych
rodków radiowych.
Rys 3 adoptowany z [4] obrazuje ogóln taksonomi filozofii dost pu do widma od najmniej elastycznego statycznego sposobu jego wykorzystania do najbardziej elastycznego zapewnianego przez filozofi OSA.
Moduł planowania – odpowiedzialny za generacj
w czasie prawie-rzeczywistym bezkolizyjnych planów
cz stotliwo ci na postawie opracowanych wcze niej
kryteriów zakłócalno ci (separacja współobiektowa,
współmiejscowa).
Moduł dystrybucji - odpowiedzialny za przekazanie
informacji o wypracowanych planach cz stotliwo ci do
pozostałych brokerów (lokalnych i regionalnego) oraz za
realizacj i nadzór procesu dystrybucji i zmiany danych
radiowych w radiostacjach obj tych nadzorem.
Moduł komunikacyjny - odpowiedzialny za wymian
informacji pomi dzy wszystkimi modułami brokera oraz
za komunikacj brokera z urz dzeniami/systemami zewn trznymi.
Rys. 3 Taksonomia systemów dost pu do widma
2. KOORDYNOWANY TRYB
DYNAMICZNEGO DOST P DO WIDMA
(CHARYKTYRYSTYKA KONCEPCJI
AUTOMATYCZNEGO BROKERA
CZ STOTLIWO CI DLA SZ RP)
Opracowany w ramach, zrealizowanego przez Konsorcjum WIŁ, WAT, Radmor, projektu rozwojowego p.t.
”Koncepcja koordynowanego dynamicznego systemu
zarz dzania widmem dla infrastruktury bezprzewodowej
wykorzystywanej w systemach zapobiegania zagro eniom terrorystycznym” nr OR 000187 12 demonstrator
brokera cz stotliwo ci jest uciele nieniem architektury
CDSA.
Głównym zadaniem brokera jest generacja kompatybilnych planów cz stotliwo ci uwzgl dniaj cych okrelone kryteria zakłócalno ci i zdefiniowane jej miary,
topologi sieci radiowych oraz dystrybucj . Tak utworzone plany cz stotliwo ci s dystrybuowane do odpowiednich rodków radiowych (w złów).
Broker cz stotliwo ci posiada budow modułow .
Moduł jest to oddzielna aplikacja lub komponent aplikacji, realizuj cy ci le okre lon funkcj lub grup funkcji. W celu realizacji dynamicznego zarz dzania widmem broker posiada nast puj ce moduły funkcjonalne
(Rys 4) [5]:
Moduł oceny sytuacyjnej – odpowiedzialny za prowadzenie rozpoznania i klasyfikacj rodków radiowych
w rejonie obj tym nadzorem brokera cz stotliwo ci.
Ocena sytuacyjna dokonywana jest na podstawie informacji pozyskiwanych z systemu rozpoznania oraz danych zapisanych w lokalnej bazie (baza ustawie bie cych).
Moduł analizy – odpowiedzialny za prowadzenie analizy widmowo-przestrzennej i realizacji funkcji DSA.
W module przeprowadzana jest analiza widmowoprzestrzenna pozwalaj ca okre li aktualne miary degradacji ł czno ci w sieciach radiowych.
Moduł decyzji – odpowiedzialny za podj cie decyzji
o ewentualnej inicjacji zmiany danych radiowych na
podstawie wyników analiz wykonanych w module analizy widmowo-przestrzennej oraz wybranych danych
wypracowanych w module oceny sytuacyjnej.
Rys. 4 Architektura brokera i jego powi zania funkcjonalne
Jednym z wyró ników operacji wojskowych jest
prowadzenie tzw. walki elektronicznej, polegaj cej na
pasywnych i aktywnych działaniach w rodowisku elektromagnetycznym, m.in. poprzez rozpoznawanie widma
oraz stosowania aktywnych zakłóce radiowych rodków przeciwnika. Zatem w rodowisku militarnym moduły brokera powinny uwzgl dnia procedury w zakresie
obejmuj cym efekty walki elektronicznej.
3. OPORTUNISTYCZNY TRYB
DYNAMICZNEGO ZARZ DZANIA
WIDMEM
Oportunistyczny tryb dynamicznego zarz dzania
widmem zapewnia realizacj najbardziej obiecuj cej
technologii dynamicznego dost pu do widma (OSA Oportunistic Spectrum Access). Uciele nieniem koncepcji OSA jest technologia radia kognitywnego (Cognitive
Radio – CR).
Podstawowa zasada OSA wyra a si formuł „nie
wprowadza zaburze do systemów licencjonowanych
i zapewni harmonijn współprac w pasmach nielicencjonowanych”. W pierwszym przypadku radio kognitywne poszukuje niewykorzystanych fragmentów widma, a nast pnie dostraja si do tych cz stotliwo ci, zapewniaj c unikanie interferencji dla urz dze radiowych
u ytkowników licencjonowanych (priorytetowych).
Oznacza to, e radio realizuje transmisj we fragmentach
widma aktualnie niewykorzystywanego. Taka filozofia
wprowadza dodatkowe wyzwania zwi zane z potrzeb
ci głego „nasłuchu” innych nadajników, w celu wył czenia emisji, gdy pojawia si transmisja z urz dze
priorytetowych tzn. takich, które posiadaj licencje na
wykorzystanie powy szych fragmentów widma.
Szacuje si [6], e w zakresie cz stotliwo ci poniej 3 GHz redni poziom wykorzystania widma w wymiarze cz stotliwo – miejsce – czas jest mniejszy ni
5 %. St d w Departamencie Obrony USA zainicjowano
prace nad technologi oportunistycznego dost pu, zakładaj c, e celem powinno by około 20 – krotne zwi kszenie wykorzystania widma. Prace takie podj to tak e
w Unii Europejskiej zarówno w obszarach zastosowa
cywilnych, jak i obronnych (wojskowych).
radio kognitywne (wg powy szej definicji), które
wykorzystuje SDR, radio adaptacyjne i inne technologie do automatycznej adaptacji swych parametrów i funkcji dla rodowiska, w którym funkcjonuje.
Ogólny schemat funkcjonalny radia kognitywnego
przedstawia Rys. 6.
Rys. 6 Schemat funkcjonalny radia kognitywnego
Rys. 5 Ogólna architektura OSA
Ogólna architektura OSA jest zilustrowana na
Rys 5. Trzy kluczowe komponenty funkcjonalne tej
architektury:
moduł radiowy;
moduł monitora widma;
moduł “silnika” polityk zarz dzania widmem
stwarzaj struktur urz dze radiowych, w których
zarz dzanie widmem jest kluczem do realizacji dynamicznego współdzielenia widma.
Moduł modemu radiowego, zrealizowanego w technologii SDR (Software Defined Radio), realizuje funkcje
modulacji, kodowania, kolejkowania, sieciowania itp.
Moduł monitora widma zapewnia urz dzeniu radiowemu
tworzenie wiadomo ci o stanie otaczaj cego rodowiska elektromagnetycznego. Moduł „silnika” polityk
zarz dzania widmem zawiera zasady oraz regulacje i jest
wyposa ony w mechanizmy kontroli dynamicznego
dost pu do widma.
Radio kognitywne (Cognitive Radio) w oryginalnym rozumieniu jest paradygmatem ł czno ci bezprzewodowej, wykorzystuj cej bardziej efektywnie wszystkie dost pne zasoby posiadaj ce potencjał do samoorganizacji, samodzielnego planowania i samoregulacji [7, 8]
W w szej, bardziej spopularyzowanej definicji
technologi radia kognitywnego traktuje si jako narz dzie do przeciwdziałania niedostatkom widma elektromagnetycznego, pozwalaj ce na stosowanie dynamicznego dost pu do widma [9].
Termin „radio kognitywne” pojawił si pierwszy
raz w dysertacji [10], której autorem był Joseph Mitola
III. Aktualnie istniej ró ne definicje radia kognitywnego w zale no ci od kontekstu w którym s u ywane [11]
[12]. SDR Forum i IEEE przyj ły obecnie nast puj ce
definicje radia kognitywnego [12]:
radio, w którym istnieje wiadomo dotycz ca
otaczaj cego rodowiska elektromagnetycznego
i własnego stanu wewn trznego i jest w stanie
podejmowa decyzje dotycz ce „zachowa ” traktu radiowego, bazuj c na wy ej wymienionej
wiadomo ci. Wiedza o rodowisku mo e, ale nie
musi obejmowa informacje dotycz ce lokalizacji
elementów sieci ł czno ci;
Badaniom architektury i funkcjonalno ci radia kognitywnego, jak równie dynamicznemu zarz dzaniu
widmem w sieciach kognitywnych, po wi cono wiele
studiów i analiz opisanych m. in. w [13].
Immanentnymi wła ciwo ciami radia kognitywnego s cztery nast puj ce cechy:
1. Elastyczno – zapewniaj ca zmiany struktury sygnału i konfiguracji sieci;
2. Sprawno – zapewniaj ca zmiany wykorzystywanych pasm cz stotliwo ci roboczych;
3. Rozpoznawanie – zapewniaj ce obserwacj stanu
systemu;
4. Rekonfigurowalno – zapewniaj ca ł czno mi dzy wieloma w złami sieci z relatywnie du pojemno ci sieci.
W procesie zarz dzania widmem w sieciach kognitywnych wyró ni mo na cztery nast puj ce etapy:
1. rozpoznawanie widma: terminal radia kognitywnego
mo e wykorzysta wył cznie niewykorzystane fragmenty widma – st d powinien on monitorowa dost pne mu zakresy widma i wykrywa wolne jego
fragmenty;
2. decyzje widmowe: bazuj ce na informacjach o dost pno ci, terminal radia kognitywnego mo e „zaj ”
kanał – ta alokacja zale y nie tylko od dost pno ci
widma, ale równie jest okre lona przez wewn trzne
jak i zewn trzne polityki;
3. współdzielenie widma: poniewa istnieje mo liwo
jednoczesnego ubiegania si o dost p do widma
przez wiele terminali radia kognitywnego, sie kognitywna powinna by koordynowana, w celu zapobie enia kolizjom ró norodnych u ytkowników, których cz ci wykorzystywanych fragmentów widma
nakładaj si ;
4. mobilno widma: u ytkownicy s traktowani jako
„wizytuj cy” widmo – st d je li okre lony fragment
widma wykorzystywany przez radio kognitywne jest
po dany przez u ytkownika priorytetowego, wówczas poł czenie powinno by kontynuowane w innym aktualnie niewykorzystywanym jego fragmencie.
W ród ww. etapów szczególn wag ma wiarygodno rozpoznawania widma, którego celem jest identyfikacja niewykorzystywanych jego fragmentów i detekcja
emisji u ytkowników priorytetowych (licencjonowanych).
Rozpoznawanie widma dokonuje si ró nymi metodami detekcji wybranych cech poszukiwanych sygnałów. Porównanie czterech podstawowych metod detekcji
jest zamieszczone w Tab 1.
Tab 1 Porównanie metod detekcji
Metoda
Zalety
Wady
Detekcji
Filtr
Optymalna wydaj- Wymagana
dopasowany no , niski koszt
znajomo
parametrów sygnału u ytkownika
licencjonowanego
Detekcja
Nie wymaga wiedzy Nieprzydatna
energii
o
pozyskiwanych przy
niskich
sygnałach,
niski warto ciach
koszt
SNR, brak rozró nienia u ytkowników priorytetowych
i
wtórnych
Detekcja
Odporno na niskie Wymagana
wła ciwo ci warto ci SNR i cz ciowa
incyklostacjo- zakłócenia
formacja o u ytnarnych
kowniku priorytetowym, du a
zło ono
obliczeniowa
Detekcja
Efektywna dla moni- Mało u yteczna
falkowa
toringu szerokiego dla sygnałów z
pasma
rozproszonym
widmem, du a
zło ono
obliczeniowa
Metody te, w zale no ci od typu cech, charakteryzuj si ró n dokładno ci , niezawodno ci wykrytych
sygnałów i stopniem zło ono ci obliczeniowej, a zatem
kosztem urz dze w których zostan zaimplementowane.
4.
PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Post puj ce przeci enie widma stanowi ce m. in.
wynik stosowanych obecnie statycznych metod zarz dzania nim stały si ródłem wykreowania paradygmatu
dynamicznego dost pu do widma. Ta filozofia zrealizowana mo e by dwoma metodami tzn. poprzez zastosowanie koordynowanego trybu dynamicznego dost pu do
widma (z wykorzystaniem infrastruktury w postaci brokera cz stotliwo ci) lub dynamicznego dost pu w trybie
oportunistycznym.
W pierwszym przypadku broker cz stotliwo ci powinien działa w czasie prawie-rzeczywistym, a zarz dzanie przez niego systemy bezprzewodowe musz posiada podatno na zdaln dystrybucj danych radiowych. Koncepcja ta, omówiona w referacie przydatna
jest dla niektórych systemów bezprzewodowych znajduj cych si obecnie w eksploatacji.
Perspektywicznym rozwi zaniem zapewniaj cym
znaczne zwi kszenie efektywno ci wykorzystania widma jest oportunistyczny tryb dynamicznego dost pu do
widma, którego uciele nieniem b d systemy radia kognitywnego. Jednak e dla pełnej realizacji tej idei niezb dne jest rozwi zanie wielu problemów w tym efektywnej metody rozpoznawania widma w czasie rzeczywistym.
Wprowadzenie do eksploatacji technologii radia
kognitywnego wi za si b dzie z dokonaniem fundamentalnych zmian w zarz dzaniu widmem polegaj cych
na dopuszczeniu współdzielenia widma przez ró nych
u ytkowników.
SPIS LITERATURY
[1] http://www.sharedspectrum.com/papers/spectrumreports/
[2] http://blogs.uco.edu/graduate/files/2012/02/chart_wi
reless_data_2.gif
[3] C. Tran I in, - “Dynamic Spectrum Access Architectures and Implementation”, MILCOM 2008.
[4] M. M. Buddhikot i in., “Understanding Dynamic
Spectrum Access: Models, Taxonomy and Challenges”, Proccedings of the 2005 IEEE Symposium
on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks (DySPAN 2007), 17 – 20 April 2007, Dublin,
Ireland.
[5] M. Sucha ski: „Zarz dzanie widmem w wojskowych
systemach ł czno ci”. Warszawa: Wojskowa Akademia Techniczna, 2012. ISBN 978-83-62954-49-0
(sygn. 31177-31180)
[6] B. A. Fetter (editor), “Cognitive radio technology”,
Second Edition, ELSEVIER, 2009.
[7] J. Mitola III, G.Q. Maguire Jr, “Cognitive Radio:
Making Software Radios More Personal”, IEEE
Personal Communications, vol 5, no 4, Aug. 1999”
[8] P. Pawelczak et. al. „Cognitive Radio: Ten Years of
Experimentation and Development”, IEEE Communications Magazine, vol. 49, no. 3, March 2011.
[9] J. Hoffmeyer et al. “Definitions and Concepts for
Dynamic Spectrum Access: Terminology Relating to
Emerging Wireless Networks ”, System Functionality and Spectrum Management, IEEE 1900.1-2008,
Oct. 2, 2008.
[10] J. Mitola III, “Cognitive Radio, An Integrated Agent
Architecture for Software Defined Radio”, Dissertation, Royal Institute of Technology, Sweden, 2000.
[11] Federal Communication Commission “Notice of
proposed rule making and order: Facilitating opportunities for flexible, efficient and reliable spectrum use employing cognitive radio technologies”,
ET Docker no. 03 – 108, Febr. 2005.
[12] http://www.sdrforum.org/pages/documentLibrary/do
cuments/SDRF-06-R-0011-VI_0_0.pdf
[13] E. Hossain i in., “Dynamic Spectrum Access and
Management in Cognitive Radio Networks” Cambridge University Press, 2009.