Tι ειναι τα cognitive radio networks;

Με τη ραγδαία ανάπτυξη των ασύρματων επικοινωνιών και την μαζική χρήση τους,

εμφανίστηκε το πρόβλημα της διάθεσης των ραδιοσυχνοτήτων του φάσματος, του κύριου αλλά πεπερασμένου πόρου για τις ασύρματες επικοινωνίες. Η κύρια πολιτική πρόσβασης στο φάσμα ραδιοσυχνοτήτων, είναι η εξουσιοδότηση επιλεγμένων χρηστών να μεταδίδουν σε συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων. Παρά την κάλυψη όλων των ραδιοσυχνοτήτων από εξουσιοδοτημένους χρήστες, την αυξημένη ζήτηση και το υψηλό κόστος πρόσβασης, μετά από έρευνες αποδεδείχθηκε ότι μόνο το 70% του φάσματος χρησιμοποιείται αποδοτικά μέχρι σήμερα.

Η τεχνολογία του Cognitive Radio αναπτύχθηκε με την προοπτική να επιτύχει αποτελεσματικότερη χρήση του φάσματος, δίνοντας τη δυνατότητα σε μη εξουσιοδοτημένους χρήστες να έχουν πρόσβαση σε συχνότητες που είναι καθόλου ή μερικώς κατειλημμένες από τους εξουσιοδοτημένους χρήστες, στο χώρο και στο χρόνο.Η τεχνολογία του Cognitive Radio εφαρμόζει δυο βήματα. Πρώτα αντιλαμβάνεται την κατάσταση του φάσματος στο χώρο σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές και έπειτα διαθέτει δυναμικά τις ελεύθερες συχνότητες που εντόπισε στους μη εξουσιοδοτημένους χρήστες, η διαδικασίες ονομάζονται ανίχνευση και κατανομή φάσματος αντίστοιχα. Ο μόνος περιορισμός είναι, το εκπεμπόμενο σήμα των μη εξουσιοδοτημένων χρηστών να μην παρεμβαίνει (με τη μορφή θορύβου) στο σήμα των εξουσιοδοτημένων χρηστών.

Software-Defined Radio

Ένας πομποδέκτης καλείται software radio (SR) εάν οι τηλεπικοινωνιακές λειτουργίες του

πραγματοποιούνται αποκλειστικά από προγράμματα τα οποία εκτελούνται σε ένα κατάλληλο

επεξεργαστή. Ο ορισμός αυτός δόθηκε από τον Mitola το 1995. Σε ένα SR υλοποιούνται,

ως λογισμικό πάνω σε μια κοινή πλατφόρμα υλικού, διαφορετικοί αλγόριθμοι εκπομπής και

λήψης, οι οποίοι συνήθως αντιστοιχούν σε συγκεκριμένα πρότυπα. Η διαδικασία της

ψηφιοποίησης πραγματοποιείται αμέσως μετά την λήψη του σήματος στην κεραία του δέκτη και όλη η επεξεργασία του σήματος γίνεται από το λογισμικό. Αν και οι ιδέα του SR αναφέρεται σε όλα τα στρώματα της στοίβας πρωτοκόλλων, οι περισσότερες ερευνητικές προσπάθειες εστίασαν στο φυσικό στρώμα (physical layer).

Ένα software-defined-radio αποτελεί μια πιο εφαρμόσιμη εκδοχή του ιδεατού software radio .

Αποτελεί ουσιαστικά μια υλοποίηση του SR με κάποιες παραδοχές. Η κύρια διαφορά του SR με το SDR είναι ότι στο SDR τα ληφθέντα σήματα περνούν από ένα κατάλληλο ζωνοπερατό φίλτρο προτού γίνει η δειγματοληψία και η επεξεργασία τους, με αποτέλεσμα ένα μικρό τμήμα του φάσματος (η ζώνη ενδιαφέροντος) να ψηφιοποιείται. Η ψηφιοποίηση γίνεται πολλές φορές μετά την βαθμίδα ενδιάμεσης συχνότητας. Συχνά οι όροι SR και SDR συγχέονται και πολλές φορές χρησιμοποιούνται και οι δύο για να περιγράψουν το ίδιο πράγμα, δηλαδή τα SDR συστήματα τα οποία έχουν υλοποιηθεί. Τα συστήματα Cognitive Radio αποτελούν εξέλιξη των SDR. Η τεχνολογία Cognitive Radio στηρίχθηκε πάνω στην τεχνολογία των SDR και την επέκτεινε. Ουσιαστικά ένα Cognitive Radio είναι ένα SDR, το οποίο μπορεί επιπλέον να αντιλαμβάνεται το περιβάλλον του, να εντοπίζει τις αλλαγές που λαμβάνουν χώρα σε αυτό και να προσαρμόζεται σε αυτές αναλόγως.

Ορισμός Cognitive Radio

Στα Cognitive Radio δίκτυα έχουν δοθεί πολλοί ορισμοί κατά καιρούς όπως:

Ορισμός από Simon Haykin:

Το Cognitive Radio είναι ένα «έξυπνο» σύστημα επικοινωνιών το οποίο έχει γνώση-αντίληψη

για το περιβάλλον του. Το cognitive radio χρησιμοποιεί την μεθοδολογία understanding-bybuilding (καταλαβαίνω χτίζοντας) για να μάθει από το εξωτερικό περιβάλλον τις αλλαγές και να τις προσαρμόσει σε συγκεκριμένες εσωτερικές του παραμέτρους (όπως: διαμόρφωση , ισχύς μετάδοσης , συχνότητα φερόντων ) σε πραγματικό χρόνο (real time). Οι δύο βασικοί στόχοι του Cognitive Radio είναι:

α)αξιόπιστες επικοινωνίες οπουδήποτε και οποτεδήποτε χρειαστεί

β)αποδοτικότερη χρήση του φάσματος

Ορισμός από James O’Daniell Neel:

Το Cognitive Radio είναι ένα σύστημα επικοινωνιών το οποίο ανιχνεύει το ηλεκτρομαγνητικό

περιβάλλον και μπορεί δυναμικά και αυτόνομα να προσαρμόζει τις λειτουργικές του

παραμέτρους για να τροποποιεί τις λειτουργίες του συστήματος. Δηλαδή για παράδειγμα να

μεγιστοποιεί την απόδοση, να μετριάζει τις παρεμβολές, να διευκολύνει την

ενδολειτουργικότητα και να έχει πρόσβαση σε δευτερεύουσες αγορές.

Συνοψίζοντας τους δυο παραπάνω ορισμούς αλλά και από άλλα στοιχεία βγάζουμε τον

παρακάτω γενικό ορισμό για τα Cognitive Radios:

Cognitive Radios είναι τα έξυπνα-ευφυή συστήματα τα οποία μπορούν να αντιλαμβάνονται τα χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος και να προσαρμόζουν κατάλληλα τις δικές τους παραμέτρους λειτουργίας τους με σκοπό την βελτίωση της επικοινωνίας. Με ένα από τα κύρια πρωτοπόρα χαρακτηριστικά αυτών των δικτύων να μπορούν να ανιχνεύσουν το φάσμα και να μπορούν να αξιοποιήσουν τις συχνότητες οι οποίες δεν χρησιμοποιούνται από τους αδειοδοτημένους χρήστες(primary users).

Οι δυνατότητες του γνωσιακού

δικτύου

Ήδη, από τους παραπάνω ορισμούς γίνεται εμφανής η σημασία τριών εννοιών: Συνείδηση,

Προσαρμοστικότητα, Εκπαίδευση. Πράγματι, για να θεωρηθεί ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα ως cognitive (γνωστικό) θα πρέπει να γνωρίζει το περιβάλλον του (aware), να μπορεί να προσαρμόζεται σε αυτό με βάση τις ανάγκες του χρήστη (adaptive) και να είναι ικανό να μαθαίνει καινούργιες συμπεριφορές μέσω αυτόνομων μηχανισμών μάθησης (machine learning).

1)Συνείδηση

Το Cognitive Radio διαθέτει πλήθος αισθητήρων ήχου, εικόνας, θέσης, συχνότητας κτλ.

Όλοι αυτοί οι αισθητήρες επιτρέπουν στο Cognitive Radio να συλλέξει πληροφορίες για το

περιβάλλον στο οποίο λειτουργεί. Για παράδειγμα, το ραδιοφάσμα μπορεί να ανιχνεύεται προς αναζήτηση εκτιμήσεων του καναλιού, παρεμβολών ή σημάτων ενδιαφέροντος. Ηχητικές είσοδοι μπορούν να χρησιμοποιούνται για ταυτοποίηση χρήστη ή ακόμα και κατανόηση φυσικής γλώσσας ή ακουστικές διεπαφές ανθρώπου – μηχανής.

Φυσικά, παρόμοιους αισθητήρες, π.χ. κάμερες διαθέτουν και τα σημερινά κινητά τηλέφωνα.

Αυτό δε σημαίνει όμως ότι αντιλαμβάνονται τη σκηνή που "βλέπουν". Το κλειδί για να θεωρηθεί ένα σύστημα "aware" είναι να χρησιμοποιεί την πληροφορία που λαμβάνει μέσω των αισθητήρων του για να ικανοποιήσει επιπλέον ανάγκες του χρήστη (πέρα από απλή επικοινωνία) ή,με άλλα λόγια να εμπλουτίσει το QoI (Quality of Information – Ποιότητα Πληροφορίας).Προκειμένου να αποσαφηνιστεί η προηγούμενη πρόταση, ας θεωρήσουμε για παράδειγμα ένα κινητό που διαθέτει έναν ενσωματωμένο δέκτη GPS. Αν το κινητό εμφανίζει απλώς το γεωγραφικό μήκος και πλάτος, η κατάσταση είναι ισοδύναμη με εκείνη όπου ο χρήστης διαθέτει μία ξεχωριστή συσκευή GPS. Αν επιπλέον το κινητό βοηθά το χρήστη με πλοήγηση GPS ή εμφανίζει μια λίστα με εστιατόρια εντός μιας προκαθορισμένης γεωγραφικής ακτίνας, τότε λέμε ότι το κινητό είναι ενήμερο της θέσης του.

Επιπλέον, το Cognitive Radio έχει αυτο-επίγνωση, διαθέτει δηλαδή ένα υπολογιστικό μοντέλο του εαυτού του – της δικής του υλικής και λογισμικής δομής. Για την υπολογιστική περι

γραφή του Cognitive Radio έχει προταθεί από τον Mitola μία Γλώσσα Αναπαράστασης Ασύρματης Γνώσης (Radio Knowledge Representation Language – RKRL), η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί επίσης από το δίκτυο, για να κάνει ερωτήσεις προς οποιοδήποτε συσκευή που υποστηρίζει τη γλώσσα και να μάθει π.χ. πόσους συντελεστές έχει ο ισοσταθμιστής που χρησιμοποιεί (και κατά συνέπεια πόσα διακριτά μονοπάτια "βλέπει" η συσκευή στο ασύρματο κανάλι).Η αυτο-επίγνωση επιτρέπει στο Cognitive Radio να τροποποιεί με ευελιξία λειτουργικά τμήματα του εαυτού του ανταποκρινόμενο στις ανάγκες του χρήστη, το βοηθά δηλαδή να επιδεικνύει προσαρμοστικότητα.

2) Προσαρμοστικότητα

Η φέρουσα συχνότητα, το στιγμιαίο εύρος ζώνης, το σχήμα διαμόρφωσης, ο κώδικας διόρ-

θωσης σφαλμάτων, οι τεχνικές άμβλυνσης του καναλιού όπως οι ισοσταθμιστές ή τα φίλτρα

RAKE, ο χρονισμός του συστήματος (π.χ., ένα σχήμα Πολλαπλής Πρόσβασης με Διαίρεση

Χρόνου – Time Division Multiple Access ή TDMA), ο ρυθμός δεδομένων, η ισχύς εκπομπής,

ακόμα και τα χαρακτηριστικά ενός φίλτρου αποτελούν παραμέτρους λειτουργίας που μπορούν να είναι προσαρμοστικές. Ένα σύστημα επικοινωνίας διάχυτου φάσματος με μεταπήδηση συχνότητας (frequency-hopping spread-spectrum radio) δε θεωρείται προσαρμοστικό διότι αφού προγραμματιστεί για μία ακολουθία μεταπήδησης συχνότητας, δεν αλλάζει. Ένα frequencyhopping σύστημα που αλλάζει ακολουθίες μεταπήδησης για να μειώσει το ρυθμό συγκρούσεων μπορεί να θεωρηθεί προσαρμοστικό. Ένα σύστημα που υποστηρίζει πολλαπλά εύρη ζώνης δεν είναι προσαρμοστικό, ένα σύστημα όμως που μεταβάλλει το στιγμιαίο εύρος ζώνης και/ή το χρονισμό του σα συνάρτηση του φορτίου του δικτύου μπορεί να θεωρηθεί προσαρμοστικό. Με άλλα λόγια, ένα σύστημα που ανταποκρίνεται στις εκάστοτε συνθήκες μεταβάλλοντας τις παραμέτρους λειτουργίας του χωρίς να έχει προγραμματιστεί εκ των προτέρων για αυτό έχει την ιδιότητα της προσαρμοστικότητας, όπως την εννοούμε για ένα Cognitive Radio.

3) Μάθηση

Εφ' όσον απαιτούμε από το CR (Cognitive Radio) να μεταβάλλει τον εαυτό του με μη προκα-

θορισμένο τρόπο, εξυπακούεται ότι αυτό πρέπει να είναι εφοδιασμένο με ένα μηχανισμό μάθησης. Η μάθηση περιλαμβάνει την ικανότητα του συστήματος να αναλύει τα δεδομένα που εισέρχονται στους αισθητήρες, να αναγνωρίζει μοτίβα και να τροποποιεί τις εσωτερικές προδιαγραφές συμπεριφοράς με βάση την επακόλουθη ανάλυση της νέας κατάστασης.

Το CR μπορεί να μαθαίνει με ή χωρίς επίβλεψη. Στη μάθηση με επίβλεψη, η διαδικασία μπορεί να πάρει τη μορφή ενός διαλόγου μεταξύ του χρήστη και του συστήματος, όπου το σύστημα αναπτύσσει ένα νέο ισχυρισμό ή ένα νέο μοντέλο συμπεριφοράς και στη συνέχεια ζητά επιβεβαίωση από το χρήστη ότι το συμπέρασμα που εξήγαγε είναι σωστό. Από την άλλη πλευρά,το σύστημα μπορεί να επεκτείνει τη γνώση του μέσω του αλγορίθμου μάθησης και απλώς να προσθέσει τη νέα γνώση στη βάση ισχυρισμών και συμπεριφορών του. Το πρόβλημα με την αυτόνομη μάθηση μηχανής (autonomous machine learning – AML) είναι ότι η διαδικασία μάθησης μπορεί να οδηγήσει σε πολλές λανθασμένες επιλογές προτού αναπτυχθεί ένα εφικτό μονοπάτι απόφασης. Για αυτό το λόγο είναι πολύ πιθανό να υπάρχει κάποιος περιορισμός στο βαθμό που ένα CR θα μπορεί να μεταβάλλει τη συμπεριφορά του χωρίς εξωτερική παρέμβαση και επαλήθευση.

Ο Κύκλος της Γνώσης

Η λειτουργία του CR χαρακτηρίζεται από τον Κύκλο της Γνώσης.Στον κύκλο αυτό διακρίνονται έξι βασικά στάδια: Παρατήρηση (Observe), Προσανατολισμός (Orient), Σχεδιασμός (Plan), Απόφαση (Decide), Δράση (Act) και Μάθηση (Learn).

1. Παρατήρηση. Το CR παρατηρεί το περιβάλλον του αναλύοντας τα εισερχόμενα ερεθίσματα. Το CR συσχετίζει τους αισθητήρες θέσης, θερμοκρασίας, φωτεινότητας και

ούτω καθ' εξής για να συμπεράνει το γενικό τηλεπικοινωνιακό πλαίσιο. Αυτή η φάση

συνδέει αυτά τα ερεθίσματα με προηγούμενες εμπειρίες με σκοπό να ανακαλύψει μοτίβα σε βάθος χρόνου. Το CR συγκεντρώνει εμπειρίες με το να “θυμάται” τα πάντα.

2. Προσανατολισμός. Η φάση προσανατολισμού καθορίζει την σπουδαιότητα μιας παρατήρησης συνδέοντας την παρατήρηση με ένα σύνολο ερεθισμάτων γνωστό εκ των προτέρων, ή αλλιώς μια <Σκηνή/>. Όταν υπάρχει απόλυτο ταίριασμα ανάμεσα στην

τρέχουσα παρατήρηση και την προηγούμενη εμπειρία, έχουμε αναγνώριση ερεθίσματος. Η επακόλουθη αντίδραση μπορεί να είναι είτε σωστή είτε λανθασμένη. Κάθε ερέθισμα ανήκει σε ένα ευρύτερο πλαίσιο, το οποίο περιλαμβάνει πρόσθετα ερεθίσματα και σχετικές εσωτερικές καταστάσεις συμπεριλαμβανομένου του χρόνου. Μερικές φορές, η φάση προσανατολισμού προκαλεί την άμεση εκκίνηση μιας ενέργειας ως ένα είδος αντανακλαστικής συμπεριφοράς.

3. Σχεδιασμός. Τα περισσότερα ερεθίσματα αντιμετωπίζονται με προμελετημένο τρόπο

παρά αντανακλαστικά. Ένα εισερχόμενο μήνυμα από το δίκτυο θα αντιμετωπιζόταν με

τη δημιουργία ενός σχεδίου (το κανονικό μονοπάτι). Τυπικά, οι ανακλαστικές αντιδράσεις είναι προγραμματισμένες εκ των προτέρων ή μαθαίνονται μέσω ρητών εντολών του χρήστη, ενώ οι υπόλοιπες προμελετημένες αντιδράσεις εκτελούνται μέσω σχεδίου. Σχεδιαστικά εργαλεία όπως το OPRS (Open Procedural Reasoning System) επιτρέπουν τη σύνθεση συμπεριφορών πρόσβασης στο φάσμα και στην πληροφορία με βάση την αντίληψη του περιβάλλοντος, τους κανόνες της μηχανής μάθησης και τις προτιμήσεις του χρήστη που έχουν γίνει γνωστές από προηγούμενη χρήση.

4. Απόφαση. Η φάση απόφασης διαλέγει ανάμεσα στα υποψήφια σχέδια. Το CR θα μπορού-

σε να ειδοποιήσει το χρήστη για ένα εισερχόμενο μήνυμα ή να αναβάλει τη διακοπή για

αργότερα (ενεργώντας όπως ένας γραμματέας που “φιλτράρει” τις κλήσεις κατά τη

διάρκεια μίας σημαντικής συνάντησης). Η απόφαση θα βασιζόταν σε μετρικές του QoI

για την τρέχουσα σκηνή.

5. Δράση. Αυτή η φάση ξεκινά τις επιλεγμένες διαδικασίες χρησιμοποιώντας ενεργοποιητές που προσπελαύνουν τον έξω κόσμο ή τις εσωτερικές καταστάσεις του CR. Πρόσβαση στον έξω κόσμο σημαίνει κυρίως τη σύνθεση μηνυμάτων, είτε προφορικών που απευθύνονται στο τοπικό περιβάλλον είτε γραπτών που απευθύνονται σε ένα άλλο CR ή σε

ένα CN (Cognitive Network), γραμμένων σε RKRL, RXML (Radio XML) ή σε κάποιο άλλο

πρότυπο ανταλλαγής γνώσης. Η δράση πάνω σε εσωτερικές καταστάσεις περιλαμβάνει

τον έλεγχο πόρων όπως τα ασύρματα κανάλια.

6. Μάθηση. Αρχικά η μάθηση εξυπηρετείται από τη φάση παρατήρησης όπου η πληροφορία από τους αισθητήρες συσχετίζεται με όλη την προηγούμενη εμπειρία. Κατόπιν το CR μαθαίνει καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου, δηλαδή από το σχεδιασμό, από τις αποφάσεις και από τη δημιουργία νέων καταστάσεων που ενσωματώνονται στην ήδη αποθηκευμένη γνώση.