Нови „умни” радио и други безжични устройства ще помогнат да се избегнат смущения и прекъсвания  в радиопредаванията

Нови „умни” радио и други безжични устройства ще помогнат да се избегнат смущения и прекъсвания  в радиопредаванията

Любимото Ви радио излъчва на определена честота. Когато настройвате своя приемник на ония стотици милиони херци, Вие просто настройвате входните му вериги, за да уловите честотата на тази станция от ефира. Ако други станции се намесят във Вашето приемане единственият Ви реален избор е да почакате проблемът да отпадне. В най-добрия от всички светове, обаче, приемникът ще отговори, като се превключи на свободна от смущения резервна честота, носеща любимата ви радиопрограма. Такова решение е извън възможностите на съвременната радиотехнология* и е възможно, че този пример прави проблемът да изглежда тривиален. Но представете си, че тази нерегламентирана намеса  прекъсва  спешно GSM повикване. В този случай бързото прехвърляне на разговора в свободна от смущение конфигурация би било не само удобно – то би спасило живот.
Днес инженерите работят, за да внедрят подобни гъвкави оперативни умения в бъдещите радио, мобилни и  други безжични комуникационни устройства. В следващото десетилетие технологията на „когнитивното (познавателното)” радио трябва да позволи на почти всяка безжична система да определи местоположението и да се свърже към всеки локален неизползван радио-спектър за по-добро обслужване на потребителите. Прилагайки адаптивно програмно обезпечение, тези умни устройства биха могли да преконфигурират комуникационните си функции, за да посрещнат както нуждите на предаващите мрежи, така и потребителските изисквания.
 „Познавателната” радио-технология ще знае какво да прави, базирана на предшестващия опит. Когато пътувате сутринта към работа, например, тя би измерила особеностите на разпространението, силата на сигнала и качеството на излъчването в раличните честотни ленти, докато минавате покрай източниците на радио-спектър. „Познавателното” радио-устройство би създало вътрешна база от данни, дефинираща как то би оперирало по-добре в различни места и в специфично време на деня. В противовес на това, честотните ленти и параметрите на трансмисионния протокол на съществуващите радио системи са  до голяма степен твърдо фиксирани.

 Тъй като когнитивното радио излъчва и приема сигнали, тези устройства ще са много гъвкаво привързани по вход и по изход със свободните честотни ленти, Тези сигнали ще избягват честотите, които вече се използват. Това светкавично бързо превключване на каналите би позволило на системите да предават глас и данни с разумни скорости. Осигурявайки много по-ефективно използване на ресурсите на съществуващия радиочестотен спектър за работа около границите на приложимост, радиовръзката трябва да стане многократно по-надеждна и удобна, и възможно, значително по-евтина, отколкото е днес. И действително, ако прогреса в технологията на когнитивното радио е в рамките на надеждите на своите конструктори, пренаситеността на радиочестотния спектър ще възникне много скоро. Радиото никога вече няма да бъде същото.

Няма място в ефира

За съжаление, радиото е твърде препълнено в момента. Някои честотни ленти са толкова претоварени, че дългото чакане и смущенията са вече норма. Пригодността на тези връзки за предаване и приемане зависи от конкретното изпълнение на апаратурата. Радиочестотния спектър – частта от електромагнитния континуум, съдържащ вълни в диапазона на радиочестотите – обслужва днес безчислено количество свързочни устройства. В САЩ, FCC ( Федерална комисия по свръзките) присвоява на ползвателите специфична честота. Тия честоти включват добре поззнатите АМ, FM, късъ вълни, гражданските обхвати, VHF и UHF телевизионни канали, както и стотина познати честоти за пренос на клетъчни или безжични телефони, GPS навигатори, данни от радарите на РВД, аларми на осигурителни системи, радио-управляеми играчки и много други.
Днешния недостиг на радио-честотен спектър се основава в значителна степен на стойността и на границите на приложимост на апаратните средства, разработени през миналия век. През далечната 1950 година, например, преобладаващите конструкции на телевизионните приемници бяха основани на вакуумна технология, с електронни лампи и затова  използвания обхват беше VHF, докато конструкторите успяха да накарат и транзисторните телевизори да работят и в UHF обхвата. Подобна, основана на  хардуера негъвкавост, е  препятствието, което трябва да бъде преодоляно от адаптивния, базиран на софтуер, безжичен дизайн.
Следващото поколение безжична технология, наречена software defined radio (SDR) – софтуер дефинирано радио – използва както вложени алгоритми за обработка на сигнала, така и реконфигурируеми кодови структури за приемане и предаване на новите радио протоколи. Експертите очакват, че в относително къси срокове този, управляван от софтуера прогрес, ще предизвика сеизмически трус в радио технологиите.
Промяната означава, например, че SDR кодът, заедно с другите програмни продукти, такива, като протоколите и технологиите на външния интерфейс, с които работи стандартния лап-топ ( това може да бъде plug and play стандартна карта за радиообмен), биха могли да служат за приемане на TV и радио сигнали и за изобразяването им. Но ако същият този лаптоп бъде обурудван с аналогова радио-честотна карта SDR, той може да качи софтуер, който би му позволил да функционира като клетъчен мобилен телефон, базова станция, персонален безжичен органайзър, даже и като военно радио – каквото се наложи ( и е разрешено) да се прави в момента. Малцина си дават сметка, че днес светът встъпва в ерата на SDR безжични комуникации
 Когнитивното радио идва по петите на SDR технологиите и се основава на тях. Тази нова безжична парадигма включва SDR системите, които са способни да реконфигурират  аналоговите си радиочестотни изходи.и заедно с това „самосъзнание” и знание за трансмисионните протоколи, етикети и процедури. Тези събития ще доведат до това, че ситемата на когнитивното радио ще бъде в състояние да „усети” местоположението си и окръжаващата радио-честотна среда и в резултат да изменя мощността си, честотата, модулацията и други оперативни параметри, така че динамично да използва отново оня честотен спектър, който е наличен в момента.
    Терминът „самосъзнание” се отнася до способността на отделната апаратура да изучава себе си и своите отношения с радиомрежите, които тази апаратура обитава. Инженерите могат да моделират тези функции посредством изчислителен модел на апаратурата и окръжаващата я среда, като и присвоят индивидуалност („АЗ”), оперираща като „РАДИО”. Моделът може да дефинира и ПОТРЕБИТЕЛ, който също трябва да се изучи.
Когнитивното радио ще бъде способно автономно да „чувства” как варира радиочестотната среда както във времето, така и по местоположение, в термини на енергията, която самото то, както и другите предаватели наоколо, излъчват. Тези структури от данни, заедно с обслужващия ги софтуер,, ще дадат възможност на всяка единица „когнитивно” радио да открие и използва близките мрежи за по-добра комуникация, избягвайки интерференциите от останалите радиа. В не толкова далечно бъдеще технологията на когнитивното радио ще споделя по оптимален начин наличния радиоспектър, без инструкции от управляваща мрежа,  което би могло евентуално да либерализира контактите и плащанията между потребителите на системата.
Потенциалът на „когнитивната технология” да предефинира съществуващите радио дейности става ясен, ако анализираме икономиката на процеса. Месечната сметка на мобилен телефон, например, включва такси за аренда на радиочестотен спектър, аренда на базови станции, кули, РР линии, самия мобилен апарат, както и амортизацията на обурудването в базовите станции, цената на вътрешните връзки между отделните сайтове.
Тези разходи биха се намалили драстично, а качеството на услугата би се повишило значително, ако когнитивното радио бъде допуснато до пазара. Представете си току-що продаден клетъчен телефон, изработен по най-съвременна технология. Повече от 1 гигахерц е достъпната му честотна лента, за жалост съвсем малко от нея е използвана. Във всеки един момент това устройство използва не повече от 10 мегахерца – една стотна от възможното – и даже това е отбрано от приблизително 100 мегахерца фиксирани честоти, достъпни за оператора и потребителите на системата.
Освен това, типичният клетъчен телефон включва няколко стотици милиона инструкции в секунда – капацитет, който в значителна степен е посветен на уникалните системни стандарти. Доставчикът на комуникационни услуги зарежда тези стандарти за свои собствени цели,  като например откриване и отстраняване на грешки в софтуера, те не са непосредствено необходими на потребителя. Актуалният момент тук е, че тази памет би могла да се използва за да заредим надеждно независимо програмно обезпечение, което би разрешило на устройството да се свързва със свободна безжична локална мрежа (WLAN). На техническа конференция по мобилни комуникации през 2004 година старши  ръководител в Моторола заяви, че WLAN-базиран телефон (както и всяко друго комуникационно устрйство – Б.пр.) е бил технически осъществим още преди години, но доставчиците на клетъчни услуги не желаят такова устройство. И не е учудващо – такова устройство би могло да се включи автоматично към корпоративните безжични локални мрежи (WLAN) и по такъв начин да лиши доставчика на услуги от такси за много часове всеки ден.


Но джинът е пуснат от бутилката. Софтуер-дефинираното радио (SDR) навлиза в малко използваните части на спектъра и заедно с автономното пограмно обезпечение (действащо в интерес на потребителя) очертава пътеката на възприемане на тази технология.
 
Свободен спектър има достатъчно
 
Като изключим високочестотните ленти над 6 Гигахерца, около 2,8 Гигахерца от сега присвоения радиоспектър между 28 и 5600 Мегахерца е недостатъчно използван, но достъпен за „когнитивното” радио. (Оценката е базирана на номиналната чувствителност на приемниците и коефициента на усилване на съществуващите антени). В същото време честотните ленти за клетъчните телефони и за безжичните интернет услуги често се превишават. Неизброимо количество електронни джунджурии, от „безключови” заключалки за автомобили през дистанционни управления на гаражни врати, та до радиоуправляеми играчки използват същите честотни ленти за предаване на данни на къси разстояния; една среща на феновете на радиоуправляеми авиомодели може да превърне ефира в блато. По същия начин, клетъчните честотни ленти, които са почти празни в 3:30 сутринта, в в пиковия час 10:00 са запълнени до отказ.
Над 6 Гигахерца влажността и валежите жадно абсорбират радио-честотните сигнали. Даже при сух въздух поглъщането има свои максимуми при 20 и 60 Гигахерца. Въпреки това, някои връзки на къси разстояния ( често характеризирани като „лагера” или по-военному „върха на хълма”) понастоящем достигат скорости от мегабит в секунда на честоти около 34 и 70 Мегахерца. Повишаващата се компютърна мощ неотдавна позволи на безжичните устройства, опериращи в тези горни честотни ленти да предложат скорости от порядъка на Гигабит за секунда, разбира се, в предела "picocells „, много малки разстояния. Тази технология може да бъде полезна за мобилни потребители, комуникиращи между себе си в транспортните средства на пътя, между пешеходци, както и в неподвижни безжични системи в сградите.
Йенс Зандер (Jens Zander), специалист по системите за радиовръзка в Кралския Технологичен институт в Стокхолм, твърди, че няма никакъв недостиг на радио-спектър, а само недостиг на достъпна съобщителна инфраструктура. Кулите на мобилните телефони, връзките към обществената комутируема телефонна мрежа, системите за фактуриране на услугите и много други, представляват съществено основание за оскъпяването на наетия спектър. От 1990 г., от  телефонът-чанта на Motorola StarTac с размерите на тухла, та до днешните мултифункционални устройства с размерите и дизайна на мида, изграждането и подръжката на предназначената само за тях инфраструктура бе единственият начин за функциониране на системата. Обаче в началото на 2005 г. Vanu Inc демонстрира първата глобална система за мобилни комуникации, базирана на SDR (Софтуер дефинирано радио) протоколи с радиочестотен конвертор, който прави радиосигнала разпознаваем от високоефективните портативни компютри без клавиатура или дисплей. Само преди пет години GSM транскодера и съпътстващите го системи се нуждаеха от  апаратна стойка и киловати захранваща мощност. Но за това време развитието на полупроводниците доведе до това, че сега такава станция може да бъде  почти всеки портативен или домашен компютър

Промени в ефира
 
Продължаващата революция в микроелектрониката и компютърните технологии измениха по такъв начин фундаменталните предели на радио – техническите средства, че цената им в момента е по-малка от 1% от, да кажем, преди десетина години. И сега въздействието на тези постижения върху модерната безжична технология все по силно се чувства.

В ранните години на аналоговата телевизия (използваща специализиран хардуер и с лента 6 Мегахерца) беше най-големия потребител на радио-честотен спектър. Сега цифровата HD телевизия доставя трафик, елквивалентен на 100 Мегабита за секунда, в същата честотна лента от 6 Мегахерца. Един Intel Pentium лаптоп може да генерира изображения и звуци, използвайки софтуер и дигитализираната версия на аналогов ТВ сигнал, получен  от аналогов  радио-честотен конвертор. Този конвертор преобразува носещата радио-честота в някаква междинна, така, че един аналого-цифров преобразувател да може да превърне тази честота в изпълним програмен формат. Високоскоростните аналогово-цифрови преобразуватели могат по такъв начин да обработват стотоци мегахерци от радио спектъра едновременно. Някои от тези чипове са допълнени с  микро елекромеханически системи (MEMS) – полупроводникови схеми, които съдържат в себе си механични устройства от микро мащаб. Например цифрово пренастройваеми аналогови кондензатори.** В промишлени количества MEMS базирани периферни карти могат да получат достъп до десетки мегахерци където и да е от 300 до 5600 Мегахерца, при това на цената на достъпа на един клетъчен телефон до много по-ограничен спектър от честоти.
MEMS базираните радио – конвертори бавно навлизаха на пазара, защото засега са по-скъпи от конверторите на фиксирана честота. Историческото решение на Федералната комисия по свръзките от 2004 г., одобрило развитието на когнитивното радио, обаче и предлага нови стимули за производителите на MEMS базирани радио-компоненти. Правителствената агенция препоръча прилагането на технологията на когнитивното радио в маломощните мрежи, опериращи в неизползваните ТВ честотни ленти. Това решение освободи над 100 Мегахерца за когнитивното радио в типична градска среда. Появата на MEMS базирана технология и одобрението на Федералната комисия по свръзките комбинираха натиска за по-голямо споделяне на спектъра в бъдеще. Оперирайки в ниския и средния банд на радио-спектъра, няколко аналогови канала могат да създадат специални мрежи за къси разстояния, в които лицензираните потребители са съгласни да наемат, споделят или да разменят части от радио-спектъра.
MEMS картата със софтуер на когнитивното радио може поради тези причина да превърне клетъчния телефон във WLAN, лаптопа във клетъчен телефон или пък радиотелефона в „пико” базова станция. Домашният компютър, обурудван със система за когнитивно радио, би могъл от такава „пико” станция да отдава ефирно време на преминаващите  покрай него устройства, снабдени с когнитивно радио.

Преработка на безжичната мрежа
В традициониите системи на клетъчни телефони, цифрово радио и цифрова телевизия повечето от знанията за ефективно опериране се намират в мрежата. Въпреки, че новите клетъчни технологии притежават по-голям оперативен капацитет, те не са чак много по-умни от своите предшественици. Клиентите на тези услуги все още се нуждаят от договор с доставчика на обурудването, за да получат достъп до мрежата и оттам до достъпна съобщителна инфраструктура. Напротив, когнитивната радио-технология съдържа знания, необходими за връзка с безжичните мрежи посредством радиоприемници, лаптопи или безжични органайзъри. Тъй като когнитивната подсистема за контрол управлява способностите на Софтуер дефинираното радио ( СДР), всяко СДР устройство може да открие комуникационни възможности, навсякъде, където ги има.Понастоящем почти всички нови лаптопи притежават способност да работят в WLAN. Домашните и бизнес безжични мрежи се множат експоненциално. Когнитивното радио ще има оперативната интелигентност бързо да отдава или заема WLAN или друг радиоспектър в обмен на обещание за „наличие на спектър” - обещание, което се подава на проверка, да даде назаем собствените си „пико” ресурси към друго когнитивно радио в бъдеще. От тези точки на безжичен достъп провайдърът на Интернет услуги ще трансферира данните на потребителя, или ще позвъни на някого, някъде по широкия свят, или ще му достави радио-програма. От това е видно, че когнитивното радио не се нуждае от предназначена специално за него клетъчна или трансмисионна структура за връзка с потребителя и доставка на програми или Интернет. Освен това, тъй като взаимодействието на когнитивното радио с безжичната мрежа се разширява, то необходимостта от дългосрочен контракт с доставчика на клетъчни услуги се намалява значително.
3D радио разум

Когато типичен потребител използва безжичната мрежа, основана на  днешната комерческа електроника, системата прави всичко възможно да консумира колкото може повече от и без друго ограничения честотен ресурс. Често и притискайки другите, съседни по честота радиа. Когнитивното радио ще бъде достатъчно умно да въведе своеобразен етикет – разумните делови практики – в оперирането с радиочестотния спектър. То интелигентно ще открива и  ще взаимодейства с близкоразположените „пико” клетки, така, щото те да държат потребителите на когнитивно радио свързани със системата по начин, който най-добре служи на тях или на тяхните изисквания.За да изпълни тези задачи, едно когнитивно радио-устройство изисква няколко неща. Най-напред то трябва да „знае” как излъчената радиочестотна енергия варира с разстоянието по по протежение на земята, сред преградите и по въздуха. Клетъчните телефони и останалите „твърдо” свързани комуникационни устройства не се нуждаят от такова знание, защото фиксираните  мрежи работят привързани към радио спектър, който е предварително калибриран за съществуващите параметри на излъчвана енергия. Когнитивните радиа, напротив, чувстват цялата местна обкръжаваща среда в спектъра на ниски, средни и високочестотни ленти, и изобразяват неговите особености като функция на мястото, времето и разпространението на вълните. Способността да усещат спектъра обаче изисква разработването на висококачествени сензори, както и на приложими алгоритми за обмяна на данните от мониторинга на спектъра. Системите с много входове и много изходи ще насочат потока от данни по сложни и предварително недефинирани пътища, избягвайки както многобройните отражения от сгради и движещ се транспорт, така и съседните радиа.Една напълно функционираща система на когнитивно радио ще бъде достатъчно умна, за да усети местната „сцена” на радиочестотите, да избере честотната лента, вида на връзката и услугите, от които се нуждае, както и ще качи софтуера за конкретните местни условия. Чак след това системата ще осъществи преноса на информация към посочения приемник, минимизирайки интерференциите с други радиа, в това число и когнитивни. По такъв начин тя ще демонстрира високо ниво на „спектрален етикет” и ще свърже потребителите с необходимата сигурност и дискретност.Прецизността на тези операции може да бъде увеличена чрез 3D компютърни изображения на местния пейзаж, записани на гигабайтови твърди дискове и достъпни безжично, когато бъдат поискани. Предсказанията за силата на приемния сигнал, базирани на горния модел, биха позволили на когнитивното радио да избегне повечето смущения. Стандартизирайки предавателните канали, по които то би могло да се „оплаква” от евентуални смущения, би завършило цикъла на радио-етикета.
Бъдещето на „умното” радио
След установяване на променливите енергийни параметри във всеки честотен обхват, устройствата, ползващи технологията на когнитивното радио ще бъдат в състояние да ползват Семантичната Уеб технология ("The Semantic Web," by Tim Berners-Lee, James Hendler and Ora Lassila; Scientific American, May 2001) за да обменят свободно тази информация с други подобни. Тпва ще помогне да се оптимизира на всеки сегмент ненатоварен спектърРешенията относно бъдещето на когнитивното радио се разгръщат като битка между две гигантски икономически структури – клетъчните телефони и телекомуникационната индустрия против интернет-промишлеността, която включва Microsoft, Intel, Google, провайдърите на интернет-услуги и производителите на компютърни платформи. В крайна сметка, етикетът на „умен” оператор, базиран на технологията на когнитивното радио, ще превърне гигахерци ненатоварен спектър в широколентова възможност за свързване на многбройни потребители.Ако регулациите на Федералната комисия по свръзките продължат в тази посока, те ще направят огромен пробив в практиката на монополното използване на спектър от стотици мегахерци и ще го направят достъпен за споделено позване. Дълго натрапвания недостиг в радио-спектъра ще бъде заменен от излишък на честоти. Вместо това, клетъчния телефон да   чака минута, за да качи картинка от един мегапиксела, той би могъл да оперира с 10 такива изображения в секунда.Ръстът на когнитивното радио ще изисква, разбира се, време, но ефектът му върху всички страни на живота ни ще бъде съществен. източник:  Scientific American Magazine

* Днес съществуват автомобилни приемници, които могат да се превключват на различни предаватели, излъчващи една и съща програма при пропадане на сигнала, но това е частен случай, например в България само програма Хоризонт на БНТ разполага с мрежа припокриващи се предаватели – Б.пр.** Авторът е пропуснал много по-технологичните и отдавна известни пренастройваеми кондензатори, основани на зависимостта на ширината на обратния p-n преход от приложеното напрежение – Б.пр.