Radio poznawcze dla sieci bezprzewodowych 5G

Wprowadzenie

Termin "sieci bezprzewodowe 5G" odnosi si� do nowej generacji technologii komunikacji mobilnej wykraczaj�cej poza to, czego do�wiadczamy dzisiaj dzi�ki starszym 4G. Sieci 5G bez w�tpienia b�d� bada� nieograniczone mo�liwo�ci, dop�ki oficjalny standard nie zostanie powi�zany przez organy normalizacji telekomunikacji, takie jak Mi�dzynarodowy Zwi�zek Telekomunikacyjny - Radiokomunikacja (ITU-R), Mi�dzynarodowa Telekomunikacja Mobilna (IMT) i Projekt Partnerski 3 Generacji (3GPP).Nap�dzany popytem konsument�w, w tej dekadzie spodziewany jest zdumiewaj�cy 1000-krotny wzrost ruchu danych. Stwarza to podstaw� dla umo�liwienia technologii 5G, kt�ra zapewnia szybk� i efektywn� kosztowo ��czno�� danych, przy jednoczesnej minimalizacji koszt�w wdro�enia. Pomimo sukcesu ma�ych kom�rek i MIMO w systemach 4G, nie ma pojedynczego post�pu technologicznego, kt�ry m�g�by zaspokoi� przewidywane przysz�e zapotrzebowanie na ruch. W rzeczywisto�ci dzisiejsze mapy drogowe przedstawiaj� r�ne mieszanki widma (herce), wydajno�� widmow� (bity na herc na kom�rk�) i ma�e kom�rki (kom�rki na km2) jako krok w kierunku spe�nienia tego ambitnego celu. W poprzedniej cz�ci m�wili�my na temat zag�szczania ma�ych kom�rek i zaawansowanych anten jako �rodka do podj�cia gigantycznych krok�w w kierunku sprostania wyzwaniu 5G. Jednak�e, jak mo�emy efektywniej wykorzystywa� dotychczasowe spektrum, a tak�e wprowadza� nowe �r�d�a widma, aby zaspokoi� dodatkowe potrzeby ruchu, zas�uguje na uwag�; szczeg�lnie, �e do�wiadczamy epoki, w kt�rej zasoby widmowe s� na wag� z�ota. W rzeczywisto�ci przewidywane zapotrzebowanie widma na ITU-R sugeruje, �e dodatkowe wymagania dotycz�ce widma w 2020 r. Wynios� 1280-1720 MHz, aby uzupe�ni� obecne przydzielone widmo radiowe w sieciach ruchomych. Badania przeprowadzone przez grup� zadaniow� ds. Polityki spektrum (SPTF) pokazuj� r�wnie�, �e 85% obecnie przydzielonych pasm cz�stotliwo�ci radiowych jest cz�ciowo lub ca�kowicie niewykorzystanych w r�nych okresach w r�nych obszarach geograficznych. Badanie pomiar�w widma w r�nych regionach Europy pokazuje, �e wykorzystanie widma w pasmach 400 MHz do 3 GHz jest mniejsze ni� 11%. Te prowokuj�ce do my�lenia statystyki w synergii stanowi� si�� nap�dow� dla g��wnych wyzwa� stoj�cych przed �wiatem widmowym; eksperci s� zainteresowani w jaki spos�b mo�emy efektywniej zarz�dza� przysz�ym widmem, aby sprosta� tak zwanemu wyzwaniu 1000x. Wiele technologii i technik zosta�o zidentyfikowanych jako elementy wspomagaj�ce sieci bezprzewodowe 5G, a w�r�d nich jest kognitywna technologia radiowa. Ten rozdzia� zawiera wgl�d w kluczowe wyzwania stoj�ce przed radiem kognitywnym, gdy wkraczamy w er� 5G, podczas gdy w cz�ci 7 badamy potencja� bia�ych przestrzeni telewizyjnych (TVWS) jako pojazdu dostarczaj�cego nowe widmo mo�liwo�ci.

Przegl�d technologii Cognitive Radio w 5G Wireless

Radio kognitywne (CR) to nowa technologia, kt�ra mo�e sprosta� surowym wymogom widma w sieciach 5G. CR definiuje si� jako radio, kt�re mo�e dostosowa� swoje parametry transmisji zgodnie z charakterystyk� �rodowiska, w kt�rym dzia�a. CR s� wyposa�one w zdolno�ci poznawcze i mo�na je konfigurowa�. W kognitywnych sieciach radiowych (CRN) istniej� dwa typy u�ytkownik�w: u�ytkownicy podstawowi (PU), kt�rzy s� licencjonowanymi u�ytkownikami i maj� pierwsze�stwo przed widmem; oraz drugorz�dni u�ytkownicy (SU), kt�rzy s� oportunistycznymi u�ytkownikami, kt�rzy uzyskuj� dost�p do widma na zasadzie niezak��cania lub leasingu zgodnie z zasadami uzgodnionymi z g��wnymi u�ytkownikami lub okre�lonymi przez organy regulacyjne. Spektrum jest jednym z najbardziej regulowanych i rzadkich zasob�w naturalnych na �wiecie. Alokacja, wykorzystanie i regulacja widma jest kontrolowana i koordynowana przez krajowe organy regulacyjne, takie jak Ofcom (Urz�d Komunikacji) w Wielkiej Brytanii oraz Federalna Komisja Komunikacji (FCC) w Stanach Zjednoczonych. W obecnych ramach regulacyjnych dotycz�cych widma pasma cz�stotliwo�ci przydzielane s� wy��cznie do okre�lonych us�ug, a naruszenia ze strony nielicencjonowanych u�ytkownik�w s� niedozwolone. Badania przeprowadzone przez FCC pokazuj�, �e wi�kszo�� rzeczywistego licencjonowanego widma jest w du�ej mierze niewykorzystana w lokalizacjach czasowych i geograficznych. Wzrost liczby nowych aplikacji w po��czeniu z zapotrzebowaniem na bardziej rygorystyczne wymagania i przepustowo�� kana��w stawia ogromne oczekiwania wobec sieci 5G, poniewa� rzeczywi�cie, w oparciu o dzisiejsze wymagania, przepustowo�� i zu�ycie energii by�yby w�skim gard�em. Dlatego naukowcy koncentruj� obecnie swoje wysi�ki na nowych paradygmatach komunikacji i sieci, kt�re mog� inteligentnie i skutecznie rozwi�za� te problemy. Je�li chodzi o teori� Shannona dotycz�c� pojemno�ci informacji, oczywiste jest, �e zaawansowane modele propagacji i modulacji oraz techniki korekcji b��d�w zwi�kszy�y mo�liwo�ci obecnych system�w komunikacji bezprzewodowej w pobli�u maksymalnego mo�liwego. Zach�ta do zwi�kszenia przepustowo�ci dost�pnej dla transmisji danych wydaje si� najbardziej obiecuj�cym podej�ciem do zwi�kszenia przepustowo�ci przysz�ych system�w komunikacji bezprzewodowej, w tym sieci 5G. W przypadku transmisji punkt-punkt w kanale AWGN (Additive White Gaussian Noise),

osi�galn� szybko�� transmisji R, przy danej mocy transmisji P i Nie (g�sto�� widmowa mocy), mo�na znacznie zwi�kszy�, je�li mo�na udost�pni� wi�ksz� szeroko�� pasma. Technologia CR jest r�wnie� uwa�ana za kandydata do skutecznego zarz�dzania i wykorzystania zasob�w dzi�ki swojej inteligentnej i elastycznej naturze. CRN b�dzie si� r�ni� od tradycyjnego paradygmatu komunikacyjnego w tym sensie, �e radia / urz�dzenia s� w stanie dostosowa� swoje parametry operacyjne, takie jak cz�stotliwo��, moc nadawania i typy modulacji, do zmian w ich �rodowisku pracy radia. CR najpierw zdobywaj� wiedz� o stanie �rodowiska radiowego; w ten spos�b, w pierwszej kolejno�ci, s� �wiadomi widma cz�stotliwo�ci radiowych, informacji geograficznych, transmitowanych przebieg�w, protoko��w / typu sieci komunikacyjnej, polityki bezpiecze�stwa, lokalnie dost�pnych zasob�w i potrzeb u�ytkownik�w. Bazuj�c na tej platformie kontekstowej, CR okre�li najlepsz� strategi� do wykorzystania i odpowiednio dostosuje sw�j parametr nadajnika-odbiornika, aby jak najlepiej wykorzysta� dost�pne technologie. Typowy cykl poznawczy przedstawiono na rysunku

Podstawowe funkcje CR w cyklu poznawczym to:

(i) wykrywanie i analiza widma
(ii) przydzielanie i zarz�dzanie widmem
(iii) przekazywanie widma i mobilno��

• Wykrywanie widma i analiza

Ta funkcja pozwala CR wykry� cz�� widma cz�stotliwo�ci, kt�ra nie jest u�ywana przez g��wnych u�ytkownik�w. Te nieu�ywane cz�ci nazywane s� bia�� przestrzeni� widma. Ta funkcja monitoruje r�wnie� ka�d� bia�� przestrze� u�ywan� do transmisji wt�rnej, aby opu�ci� j� w przypadku ponownego pojawienia si� g��wnego u�ytkownika. Wykrywanie widma mo�e by� realizowane przez mechanizm proaktywny lub reaktywny w spos�b kooperacyjny lub niewsp�pracuj�cy. Charakterystyki obserwowanych kana��w bezprzewodowych s� szacowane przy u�yciu zebranych informacji z modu�u pomiarowego. Skuteczny algorytm jest nast�pnie wykorzystywany do wyodr�bniania informacji o stanach widma pod wzgl�dem czasu i cz�stotliwo�ci wykorzystania widma oraz dostarcza informacji na temat czasoprzestrzennej dost�pno�ci licencjonowanego widma.
• Przydzia� widma, zarz�dzanie i przekazywanie

Po pocz�tkowym procesie wykrywania i analizy widma, przydzielanie widma, zarz�dzanie i przekazywanie umo�liwiaj� u�ytkownikom drugorz�dnym posiadanie najlepszego pasma cz�stotliwo�ci do przesy�ania i przeskakiwania wok� wielu pasm widmowych zgodnie ze zmiennymi w czasie charakterystykami kana��w, przy jednoczesnym spe�nieniu wymogu QoS. Charakter mobilno�ci widma w CRN mo�na podzieli� na nast�puj�ce kategorie: Ruchliwo�� widma w dziedzinie czasu, gdzie CR dostosowuje swoje pasma cz�stotliwo�ci roboczych do nowo dost�pnych niezaj�tych pasm widma w r�nych przedzia�ach czasowych. Mobilno�� widma w domenie kosmicznej, gdzie CR zmienia swoj� cz�stotliwo�� robocz� w oparciu o region geograficzny, co oznacza, �e gdy przemieszcza si� z jednego miejsca do drugiego, cz�stotliwo�� robocza odpowiednio si� zmienia

Optymalizacja widma za pomoc� Cognitive Radio

Zwi�kszona efektywno�� widmowa w systemach CR b�dzie mo�liwa dzi�ki wsp�lnemu wdro�eniu szeregu technik, w tym dynamicznego dost�pu do widma (DSA), radia programowalnego (SDR) oraz egzekwowaniu nowych zasad dotycz�cych widma. Technologia SDR jest podstawow� infrastruktur� technologiczn� system�w CR. To radio mo�e by� dynamicznie rekonfigurowane, aby umo�liwi� elastyczn� komunikacj� mi�dzy r�nymi rodzajami standard�w komunikacji. CR ma zdolno�� do rekonfiguracji i samoorganizacji, aby spe�ni� funkcje wykrywania widma, decyzji dotycz�cych widma, wsp�dzielenia widma i mobilno�ci widma. R�ne krytyczne wyzwania, takie jak potrzeba opracowania odpowiedniego mechanizmu wykrywania dziur w widmie, techniki ograniczania kolizji i wt�rnego wykorzystania mo�liwo�ci widma, musz� by� rozwi�zywane w �rodowiskach DSA i dynamicznych �rodowiskach radiowych. Dwa wa�ne systemy wsp�dzielenia widma w kontek�cie CR, przeznaczone dla licencjonowanych u�ytkownik�w i u�ytkownik�w zwolnionych z licencji to: Overlay Spectrum Access, znany r�wnie� jako Opportunistic Spectrum Access (OSA) i Underlay Spectrum Access. Obie te techniki nale�� do hierarchicznego modelu dost�pu. R�ne prace, w kt�rych zaproponowano i zbadano technologi� CR, aby zoptymalizowa� wykorzystanie widma, obejmuj� algorytmy dopasowywania widma. Wprowadzono model przewidywania widma w oparciu o IEEE802.11. Zaproponowano dynamiczny schemat wyboru kana�u do zastosowania w ��czno�ci bezprzewodowej kr�tkiego zasi�gu.

Odpowiednia literatura dotycz�ca optymalizacji widma w 5G

W tej cz�ci opisano niekt�re kluczowe obszary, kt�re s� badane w celu radzenia sobie z wyzwaniami wydajno�ci widmowej w zakresie sieci kom�rkowych 5G.

Dynamiczny dost�p do widma

Motywacj� stoj�c� za DSA jest odej�cie od starej statycznej alokacji widma w bardziej wszechstronne podej�cie, w kt�rym wykorzystanie widma zostanie zoptymalizowane. DSA jest po prostu na przeciwnym ko�cu obecnego zarz�dzania widmem statycznym i obejmuje r�ne podej�cia i techniki reform wykorzystania widma .DSA mo�na podsumowa� w trzech kategoriach: model dynamicznego u�ycia wy��cznego, model otwartego udost�pniania i model dost�pu hierarchicznego. Rysunek

przedstawia kategoryzacj� DSA i jest opisany poni�ej.
• Dynamiczny model wy��cznego u�ytku : Dynamiczny model u�ytkowania wy��cznego ma podstawow� struktur� obecnej polityki regulacyjnej w zakresie widma, z zamiarem dodania pewnej elastyczno�ci w celu poprawy efektywno�ci widma. Dwa podej�cia, prawo w�asno�ci widma i widmo dynamiczne. Zaproponowano przydzia�. W Spectrum Property Right licencjobiorcy mog� sprzedawa� i handlowa� nabytym widmem i swobodnie wybiera� odpowiedni� technologi�. W dynamicznym przydzielaniu widma, efektywno�� widma ma by� zwi�kszona poprzez dynamiczne przydzielanie widma poprzez wykorzystanie przestrzennych i czasowych informacji o ruchu dla r�nych aplikacji i us�ug
• Model otwartego udost�pniania : Znany r�wnie� jako wsp�lne widma, model wsp�dzielenia otwartego poprawia efektywno�� widmow� dzi�ki zastosowaniu otwartego mechanizmu udost�pniania w�r�d u�ytkownik�w; b�dzie to podobne do wcze�niejszych udanych modeli, takich jak us�ugi bezprzewodowe dzia�aj�ce w nielicencjonowanym pa�mie radiowym Industrial, Scientific and Medical (ISM). Kilka prac zbada�o i przedstawi�o scentralizowane i rozproszone podej�cia do tego modelu.
• Hierarchiczny model dost�pu : Ten model implementuje hierarchiczn� struktur� dost�pu, kt�ra sk�ada si� z dw�ch typ�w u�ytkownik�w: u�ytkownik�w podstawowych i u�ytkownik�w pomocniczych. Obaj u�ytkownicy mog� dzieli� si� widmem w podej�ciu Spectrum Overlay lub Spectrum Underlay. Nak�adka widma, znana r�wnie� jako Opportunistic Spectrum Access (OSA), wykorzystuje bia�e przestrzenie widma poprzez transmisj� tylko wtedy, gdy u�ytkownicy pierwotni nie u�ywaj� pasma widma. Podej�cie Spectrum Underlay, znane r�wnie� jako Ultra Wide Band (UWB), nak�ada �cis�e ograniczenia na poziom mocy transmisji mo�liwej dla drugorz�dnych u�ytkownik�w, poniewa� zar�wno pierwotni, jak i drugorz�dni u�ytkownicy mog� jednocze�nie korzysta� z pasm widma. U�ytkownicy drugorz�dni s� w stanie rozprzestrzenia� przesy�any sygna� w szerokim pa�mie cz�stotliwo�ci, dzi�ki czemu mog� osi�gn�� komunikacj� kr�tkozakresow� z du�� pr�dko�ci� transmisji, ale nisk� moc� transmisji.

Polityka regulacyjna dotycz�ca widma

W wyniku nowych technologii i us�ug tradycyjne modele biznesowe i koncepcje dotycz�ce regulacji widma s� obecnie kwestionowane. Implikacje tych zmian w przepisach dotycz�cych ��czno�ci bezprzewodowej s� szczeg�lnie istotne dla kraj�w rozwijaj�cych si�, gdzie bezprzewodowy �rodek transmisji mo�e by� podstawowym �rodkiem dostarczania us�ug szerokopasmowych. Elastyczne zasady u�ytkowania, w tym neutralno�� technologiczna, umo�liwiaj� operatorom korzystanie z dowolnej technologii bezprzewodowej lub standard �wiadczenia danej us�ugi. Zach�ca to operator�w do rozwijania i ulepszania ich sieci za pomoc� najnowszych technologii. Konsekwencje wsp�dzielenia widma mi�dzy r�nymi technologiami w przypadku ca�kowitej neutralno�ci technologicznej nale�y traktowa� ze szczeg�ln� ostro�no�ci�, aby zagwarantowa� jako�� us�ug dla us�ug. Warunki operacyjne pasma widmowego, zamierzona technologia i us�ugi, kt�re maj� by� wdro�one, r�ne wyniki wszystkie wska�niki i techniki ograniczania zak��ce� musz� zosta� uwzgl�dnione przy przyjmowaniu ram podzia�u horyzontalnego / wertykalnego.

Polityka marketingowa i model

Nowe wyzwania w zakresie optymalizacji widma s� wiod�cymi organami regulacyjnymi do zarz�dzania widmem przy u�yciu zar�wno podej�cia administracyjnego, jak i rynkowego. S� to pionierskie rozwa�ania na temat nowego podej�cia do przydzielania i przydzielania widma poprzez podzia� widma, wi�ksze wykorzystanie nielicencjonowanego widma, mi�dzynarodow� i regionaln� harmonizacj� oraz mechanizmy ustalania cen zach�t. Bezprzewodowe modele regulacyjne zmieni�y si� zgodnie z priorytetem polityki, kt�ry ewoluowa�, nap�dzany przez rynek i wymagania przemys�u. Te zmiany w podej�ciu by�y g��wnie wywo�ywane i silnie zale�ne od post�p�w w technologii komunikacji bezprzewodowej i potrzeb spo�eczno-ekonomicznych. Niedawne zainteresowanie wdro�eniem licencjonowanego wsp�lnego dost�pu (LSA) i autoryzowanego wsp�lnego dost�pu (ASA) to przyk�ady takich inicjatyw. Koncepcje LSA i ASA pozwalaj� na wykorzystanie widma, kt�re jest licencjonowane dla mi�dzynarodowej telefonii kom�rkowej, przez wi�cej ni� jeden podmiot. Innym scenariuszem zastosowania LSA / ASA jest spektrum rz�dowe i wojskowe, kt�re s� rzadko wykorzystywane pod wzgl�dem zasi�gu geograficznego lub charakterystyki czasowej. Nowatorskim aspektem wdra�ania tych mechanizm�w wsp�dzielenia jest to, �e licencjobiorcy LSA / ASA wymagaj� porozumienia z dotychczasowym u�ytkownikiem, kt�ry b�dzie oparty na zasadach udost�pniania wynegocjowanych wsp�lnie przez zaanga�owane strony i organ regulacyjny.

Agregacja kognitywnego radia i operatora

Idea technologii CR wi��e si� ze scenariuszami, w kt�rych terminale u�ytkownik�w CR zwykle okre�lane jako drugorz�dni u�ytkownicy dynamicznie wykorzystuj� dziury w widmie, gdy licencjonowani lub g��wni u�ytkownicy s� nieaktywni lub gdy drugorz�dni u�ytkownicy wykorzystuj� dost�pne widmo przy bardzo ograniczonej mocy nadawania bez powodowania szkodliwych zak��ce� dla g��wnych u�ytkownik�w. Ta ideologia dotycz�ca CR zosta�a w du�ej mierze zbadana, ale przyczyni�a si� do zmniejszenia mo�liwo�ci / mo�liwo�ci CR. Pojawienie si� system�w komunikacji 5G zaowocowa�o inicjatywami w celu rozpowszechnienia zakresu technologii CR. Poznanie jest widoczne w systemach komunikacji 4G dzi�ki wprowadzeniu agregacji no�nik�w w LTE-Advanced Release 10 w celu spe�nienia wymogu maksymalnej szybko�ci transmisji danych 1 Gb / s oraz 500 Mb / s dla IMT Advanced. Agregacja no�na, znana r�wnie� jako agregacja widma, jest jedn� z najwa�niejszych cech obecnych sieci 3GPP (LTEAdvanced) i przewiduje si�, �e b�dzie kontynuowana w przysz�ych technologiach komunikacyjnych, w tym w sieciach 5G. Agregacja operator�w by�a oferowana jako �rodek, za pomoc� kt�rego u�ytkownicy mogli uzyska� dost�p do wi�kszej przepustowo�ci w celu spe�nienia wymaga� IMT-Advanced, zgodnie z opisem Mi�dzynarodowego Zwi�zku Telekomunikacyjnego (ITU). Agregacja no�nik�w umo�liwia skalowalne rozszerzanie efektywnej przepustowo�ci, kt�ra ma by� udost�pniana u�ytkownikom poprzez jednoczesne wykorzystanie zasob�w radiowych na wielu no�nikach. No�niki te mog� by� agregowane z tego samego lub r�nych pasm w celu zmaksymalizowania interoperacyjno�ci i wykorzystania rzadkiego widma radiowego lub rozproszonego widma dost�pnego dla operator�w. Agregacja no�na w sieciach 5G musi by� zaprojektowana tak, aby by�a kompatybilna wstecznie z wcze�niejszymi generacjami sieci kom�rkowych, aby umo�liwi� lepsze wykorzystanie widma w starszych pasmach. Technologia CR odegra istotn� rol� w zwi�kszeniu limitu liczby scenariuszy wdra�ania agregacji operator�w, kt�re mo�na wdro�y� w sieciach 5G.

Efektywna energetycznie kognitywna technologia radiowa

Efektywno�� energetyczna (EE) odegra wa�n� rol� w historii sukcesu technologii CR w sieciach 5G. R�ne funkcje CR, takie jak wykrywanie widma, zarz�dzanie widmem i przekazywanie, mog� mie� znacz�ce zu�ycie energii. EE w CR dla sieci 5G mo�na osi�gn�� w dw�ch formach: (i) sprawienie, �e funkcjonalno�ci CR b�d� energooszcz�dne, oraz (ii) wykorzystanie inteligencji CR i poznania w celu zaoferowania ulepszonego EE w systemach komunikacyjnych 5G. Mo�liwo�ci CR ��czenia wielu funkcji poznawczych poprawiaj� efektywno�� energetyczn� w elementach systemu komunikacji bezprzewodowej, takich jak stacje bazowe, punkty dost�pu i urz�dzenia mobilne. Te koncepcje poznawcze przyczyni� si� do realizacji korzy�ci zoptymalizowanego zu�ycia energii w bezprzewodowych sieciach komunikacyjnych, w tym w sieciach 5G. Do efektywnej energetycznie komunikacji mo�na podej�� dzi�ki wykorzystaniu funkcji poznawczych w systemach bezprzewodowych. Green Cognitive Radios (GCR) zajmie si� niedoborem widma oraz zu�yciem energii w powstaj�cej technologii CR. W tych systemach optymalizacja energetyczna musi by� uwa�ana za istotny punkt w podej�ciu DSA, poniewa� silnik kognitywny i cz�ci SDR maj� wysok� z�o�ono�� obwodu i wykonuj� wysokie zadania obliczeniowe. W GCR wymagana jest optymalizacja energetyczna na ka�dym etapie cyklu poznawczego, kt�ry obejmuje procesy wykrywania, podejmowania decyzji i dzia�ania. Decyzje wyj�ciowe Zielonego Kognitywnego Silnika (GCE) w kognitywnej architekturze radiowej, jak pokazano na rysunku

, s� osi�gane poprzez r�ne algorytmy efektywno�ci energetycznej wykorzystuj�ce dost�pne informacje o licencjonowanym kanale i zdefiniowane lokalne polityki regulacyjne

Kluczowe wymagania i wyzwania dla terminali kognitywnych 5G

Aby doceni� specyficzne wymagania i wyzwania zwi�zane ze s�uchawkami 5G z obs�ug� funkcji poznawczych, musimy cofn�� si� o krok, aby zdefiniowa� holistyczn� perspektyw� i wymagania dotycz�ce pierwszego uruchomienia urz�dzenia 5G. Oczekuje si�, �e urz�dzenia 5G b�d� posiada�y r�ne atrybuty, aby m�c zapewni� energooszcz�dn� i szybk� ��czno�� dla u�ytkownika ko�cowego, b�d�c jednocze�nie w trybie multi-mode. Najwa�niejsze cechy przewidziane dla terminala 5G pokazano i opisano poni�ej:

Interoperacyjno��: terminale 5G musz� mie� dost�p do r�nych technologii bezprzewodowych i komunikowa� si� z nimi; wykorzystaj� mo�liwo�ci CR do wsp�dzia�ania w szeregu technologii. Powinni by� w stanie rozpozna� ich po�o�enie, pozycj� i zewn�trzne warunki radiowe oraz okre�li� najlepsz� ��czno�� sieciow�.
�wiadomo�� kontekstu: Terminale 5G powinny zbiera� informacje ze �rodowiska radiowego i odpowiednio dostosowywa� swoje parametry radiowe w celu wspierania energooszcz�dnych po��cze�, mi�dzy innymi przypadkami u�ycia. Zdolno�� uczenia si�: Urz�dzenia 5G powinny by� w stanie komunikowa� si� z maszynami i lud�mi w inteligentny spos�b
Samooptymalizacja: Zaawansowane schematy optymalizacji oparte na wiedzy o �rodowisku i wybranej technologii bezprzewodowej powinny by� stosowane na terminalach 5G w celu zmniejszenia zu�ycia energii i zwi�kszenia wykorzystania widma radiowego przy zachowaniu wymaganego QoE. Poniewa� mobilno�� b�dzie widoczn� cech� sieci 5G, powinny istnie� konkretne rozwi�zania w zakresie p�ynnej, wysokiej jako�ci ��czno�ci, efektywnej adaptacji routingu, �wiadomo�ci lokalizacji, samo-koegzystencji i optymalizacji w czasie rzeczywistym. Dynamiczne zarz�dzanie widmem: terminale 5G powinny by� w stanie obserwowa� szeroki zakres widma radiowego i wykorzystywa� niewykorzystane cz�ci pasm widmowych licencjonowanych lub zwolnionych z licencji. B�d� wykorzystywa� r�ne mechanizmy w ramach DSA do agregowania odpowiednich cz�ci widma do komunikacji.
Adaptacyjne dekodowanie: terminale 5G b�d� wyposa�one w zaawansowane technologie, kt�re s� potrzebne do ��czenia r�nych strumieni danych pochodz�cych z r�nych technologii. B�d� stosowa� najlepsze techniki modulacji i schematy korekcji b��d�w, aby zapewni� lepsz� jako�� us�ug.
Samoleczenie: Samoleczenie powinno by� cech� urz�dze� 5G, poniewa� umo�liwi to terminalom i sieci przezwyci�enie wyzwa� degradacji QoE zwi�zanych z mobilno�ci�, operacjami prze��czania i agregacj� widma.

Urz�dzenia 5G jako kognitywne terminale radiowe

Oczekuje si�, �e urz�dzenia z obs�ug� kognitywn� 5G b�d� urz�dzeniami zdefiniowanymi przez oprogramowanie, kt�re b�d� w stanie nie tylko zapewni� obs�ug� w wielu trybach, ale r�wnie� efektywnie wykorzysta� mo�liwo�ci widma w locie. Rzeczywi�cie, ta funkcja jest atrakcyjna, je�li dana s�uchawka mo�e wdro�y� te funkcje w spos�b zgodny z wymogami energetycznymi, zapewniaj�c jednocze�nie bezproblemowe QoE u�ytkownikowi ko�cowemu. Co wi�cej, mo�liwo��, �e urz�dzenie stanie si� gotowe na 5G, zostanie znacznie zwi�kszona, je�li mo�e zapewni� nast�puj�ce atrybuty: najwy�sz� wydajno��, �atwo�� u�ycia, przyst�pno�� cenow�, niezawodno��, �atwo�� personalizacji oraz, z perspektywy operatora, mo�liwo�� zapewnienia zr�nicowanych aplikacji i sta�y wzrost przychod�w. Sk�adniki terminalu Cognitive 5G pokazano na rysunku

• Radio definiowane przez oprogramowanie: Radio definiowane przez oprogramowanie jest g��wnym elementem urz�dzenia kognitywnego. Urz�dzenie SDR to rekonfigurowalny terminal oparty na oprogramowaniu i zbudowany z programowalnych urz�dze�, takich jak cyfrowe procesory sygna�owe (DSP), programowalne macierze bramek (FPGA), dok�adne i zaawansowane ADC / DAC (przetwornik analogowo-cyfrowy / cyfrowy Konwerter analogowy), wzmacniacze rekonfigurowalne, anteny inteligentne i wielopasmowe obwody cz�stotliwo�ci radiowej. Forum SDR (SDRF) definiuje Radio zdefiniowane programowo jako jednostk�, kt�ra zapewnia kontrol� oprogramowania nad r�nymi technikami modulacji, prac� szerokopasmow� lub w�skopasmow�, funkcjami bezpiecze�stwa komunikacji (takimi jak przeskakiwanie) i wymaganiami dotycz�cymi kszta�tu fali obecnych i zmieniaj�cych si� standard�w w szerokim zakresie cz�stotliwo�ci. G��wne cechy urz�dze� SDR mo�na zilustrowa� jako:

- Jednolita wszechobecna komunikacja; mo�liwe, wybieraj�c sie� bezprzewodow� odpowiedni� dla lokalizacji i wymagania u�ytkownika.
- Ponowna konfiguracja; mo�liwo�� zmiany wszystkich parametr�w radiowych w oparciu o wewn�trzne i zewn�trzne zasady.
- Interoperacyjno��; potrafi bada� r�ne sieci bezprzewodowe i komunikowa� si� z nimi.
- Zbli�anie si� do po��danej jako�ci us�ug, przy jednoczesnej poprawie ekonomiki us�ug zgodnie z szybko�ci� transmisji danych i op�at�.
- Ograniczenie czasu i koszt�w dla operator�w do wdra�ania nowych technologii.
• Lokalizator geograficzny : Niekt�re CR wykorzystuj� wiedz� o lokalizacji nadajnika, kt�r� zapewnia geolokator, taki jak odbiornik GPS, przy podejmowaniu w�a�ciwych decyzji.
• System uczenia si� : Zdolno�� uczenia si� jest najwa�niejsz� cz�ci� CR. W [25] do budowania i stosowania wiedzy o wyuczonych warunkach i reakcjach wykorzystywane s� r�ne mechanizmy wnioskowania i uczenia si�. W innym zastosowaniu klasycznej sztucznej inteligencji, system logiki rozmytej jest u�ywany dla aveform adaptacja. • • Zasady Bazy Danych : Baza danych zasad mo�e by� definiowana i aktualizowana przez lokalne lub globalne organy regulacyjne. Baza danych mo�e zawiera� stan pasm lokalnego widma radiowego i wolnych kana��w.
• Czujniki : Elementy wykrywaj�ce mierz� i obserwuj� informacje radiowe w �rodowisku i dostarczaj� zebrane informacje do silnika poznawczego.
• Algorytmy optymalizacji : Urz�dzenia kognitywne wykorzystuj� r�ne algorytmy i technologie do budowy i adaptacji fal radiowych. Czujniki zbieraj� informacje ze �rodowiska radiowego, kt�re s� podawane do jednostki CR, kt�ra jest odpowiedzialna za optymalizacj� i wyb�r odpowiedniej cz�stotliwo�ci, routing, moc nadawania, przepustowo�� i parametry b��d�w.
• Silnik poznawczy : Silnik kognitywny odgrywa zasadnicz� rol� w koordynacji i zarz�dzaniu wewn�trznymi cz�ciami urz�dzenia. Modu� ten obs�uguje r�ne algorytmy prognozowania i schematy alokacji zasob�w radiowych.

Wyzwania zwi�zane z terminalem kognitywnym 5G

Ta sekcja omawia niekt�re otwarte wyzwania badawcze dotycz�ce terminali kognitywnych 5G, kt�re s� obecnie rozwi�zywane.

• Niezliczone us�ugi wysokiej jako�ci i interoperacyjno��

Sieci 5G b�d� mia�y trudne zadanie obs�ugi coraz wi�kszej liczby heterogenicznych urz�dze� sieciowych, kt�re mog� komunikowa� si� ze sob� lub z lud�mi lub robotami, aby zaspokoi� dynamiczne i wysokie oczekiwania u�ytkownik�w. Potrzebny wydajny system komunikacji bezprzewodowej b�dzie w stanie wspiera� u�ytkownik�w niezale�nie od lokalizacji i b�dzie w stanie dostosowa� swoje mo�liwo�ci ruchu na ��danie, aby zaspokoi� wymagania u�ytkownik�w i us�ug. Hosting niezliczonych us�ug obejmuje kluczowe wyzwania, przed kt�rymi stoj� organy normalizacyjne. Interoperacyjno�� jest nieodzown� cech� urz�dze� 5G w rozwi�zaniach wielozadaniowych nast�pnej generacji, w wielu technologiach i �rodowisku wielu us�ug, kt�re s� niezb�dne do uzyskania bezproblemowej ��czno�ci i ko�cowego QoS. Ta cecha pozwala u�ytkownikom wymienia� informacje z innymi cz�ciami sieci bez szkody dla jako�ci transmisji danych. Interoperacyjno�� jest niezb�dna na r�nych poziomach, a mianowicie: urz�dzenie-do-urz�dzenia, urz�dzenie-sie�, sie�-do-sieci, cz�owiek-maszyna, maszyna-maszyna, a nawet serwis-do-us�ugi.

• Zwi�kszone obliczenia i z�o�ono��

Urz�dzenia kognitywne 5G s� proponowane jako rozwi�zanie problemu niedoboru widma, wspieraj�c wysokie szybko�ci transmisji danych w dowolnym miejscu i czasie. Aby to osi�gn��, w�z�y komunikacyjne powinny by� inteligentne i mie� mo�liwo�� wykrywania i dynamicznego wybierania odpowiednich kana��w bez powodowania szkodliwych zak��ce� dla innych u�ytkownik�w. Funkcje te wymagaj� bardzo z�o�onych metod implementacji, kt�re zawieraj� SDR i DSA.

• Adaptacyjne algorytmy prognozowania

Terminal 5G powinien by� w stanie dostosowa� swoje parametry radiowe za pomoc� poprzedniej i bie��cej wiedzy o �rodowisku radiowym. Aby to osi�gn��, nale�y rozwa�y� r�ne algorytmy predykcji, aby przewidzie� zachowanie sieci.

• Bezproblemowa ��czno��

Sieci 5G b�d� obs�ugiwa� g��wnie u�ytkownik�w mobilnych. W miar� migracji u�ytkownik�w z jednego punktu do drugiego cierpi� one na r�ne formy degradacji QoE, takie jak spadek si�y sygna�u i przekazywanie sygna�u. Zmiana cz�stotliwo�ci kana�u i migracja do nowego niezaj�tego kana�u (licencjonowany lub zwolniony z licencji) bez powodowania zak��ce� transmisji danych jest najwa�niejsz� potrzeb� w urz�dzeniach mobilnych Cognitive 5G.

• Szybki i niezawodny sprz�t konfigurowalny

W odniesieniu do r�nych operator�w i technologii bezprzewodowych w �rodowisku, urz�dzenia Cognitive 5G wybior� najlepsz� dost�pn� opcj� w oparciu o parametry pomiaru wydajno�ci takie jak cz�stotliwo�� robocza, poziom mocy nadawania, typy anten, szeroko�� pasma nadajnika, modulacja i schematy kodowania dla ka�dej aplikacji. Oznacza to, �e radio b�dzie musia�o radzi� sobie z r�nymi cz�stotliwo�ciami radiowymi i odmianami pasma podstawowego w tym samym czasie. To b�dzie wymaga�o solidniejszej, wydajniejszej i rekonfigurowalnej architektury sprz�tu i oprogramowania.

• Dynamiczne przydzielanie widma

Urz�dzenia radiowe 5G powinny mie� potencja� lepszego wykorzystania widma, umo�liwiaj�c u�ytkownikom dost�p do widma radiowego, dynamicznie zdobywaj�c wi�ksz� przepustowo�� bez szkody dla licencjonowanych u�ytkownik�w. Kluczowym wyzwaniem tego urz�dzenia jest wdro�enie mechanizmu kontroli dost�pu do medium, kt�ry mo�e efektywnie dostosowywa� moce transmisji i alokowa� widmo w�r�d urz�dze� kognitywnych zgodnie z zebranymi informacjami ze �rodowiska radiowego.

• Bazy danych lokalizacji geograficznej

Bazy danych lokalizacji geograficznej mog� potencjalnie zapewni� odpowiednie �rodki do identyfikacji lokalizacji terminali 5G. Kluczowym wyzwaniem jest tutaj spos�b i przez kogo aktualizowane s� bazy danych. Ponadto, poniewa� bazy danych powinny dostarcza� informacji o lokalizacji 5G i licencjonowanych u�ytkownik�w, informacje te musz� by� precyzyjne. Gdy nie s� dost�pne �adne sygna�y GPS lub gdy urz�dzenia 5G znajduj� si� w pomieszczeniu, uzyskanie dok�adnych informacji o lokalizacji geograficznej staje si� trudnym zadaniem.

• Algorytmy uczenia si�

Terminale 5G powinny by� wyposa�one w algorytmy uczenia si� (np. Uczenie maszynowe), aby podejmowa� odpowiednie decyzje dotycz�ce optymalizacji zasob�w radiowych. Dwa wa�ne wyzwania w sieciach 5G to spos�b radzenia sobie z b��dnym wyborem i definicj� procesu uczenia si�. Sieci 5G powinny by� wystarczaj�co inteligentne, aby uczy� si� z poprzednich zdarze�, aby dostosowa� si� do bie��cych pomiar�w ze swojego otoczenia.

• Parametry optymalizacji

W sieciach 5G optymalna alokacja zasob�w radiowych b�dzie kluczowym wyzwaniem. Konieczne b�dzie zdefiniowanie parametr�w, kt�re mo�na by rozwa�y� w technikach optymalizacji wypuk�ej w r�nych warstwach modelu OSI (Open Systems Interconnection), takich jak warstwa aplikacji, warstwa sieciowa, warstwa Mac i warstwa fizyczna, w celu optymalizacji szybko�ci przybycia pakiet�w, wyboru trasy, czas transmisji / cz�stotliwo��, moc nadawania i typ modulacji.

• Wykrywanie sieci

Identyfikacja licencjonowanych i zwolnionych z licencji sieci jest niezb�dna w sieciach 5G. Dok�adno�� wykrywania sieci i rozpoznawania u�ytkownik�w ma wp�yw na jako�� us�ug 5G i licencjonowanych u�ytkownik�w. G��wnym wyzwaniem w skutecznym wykrywaniu sieci jest z�o�ono�� zwi�zana z wdra�aniem algorytm�w wykrywania widma w czasie rzeczywistym, kt�ra charakteryzuje si� wykrywaniem wynik�w, takich jak wykrywanie, fa�szywe alarmy i prawdopodobie�stwo wykrycia braku, a tak�e czas i cz�stotliwo�� wykrywania.

• Mo�liwo�� samodzielnej rekonfiguracji

Urz�dzenia 5G musz� dostosowa� swoje parametry nadajnika-odbiornika do obs�ugi wysokiej szybko�ci transmisji danych, unika� powodowania zak��ce� dla licencjonowanych u�ytkownik�w i maksymalizowa� wydajno�� widmow�. Aby unikn�� powodowania zak��ce�, mo�na zastosowa� wiele technik indywidualnie lub w synergii, takich jak: dostrajanie cz�stotliwo�ci (adaptacyjne przeskakiwanie cz�stotliwo�ci, dynamiczny wyb�r cz�stotliwo�ci i prze��czanie pasma RF), OFDM (ortogonalne zwielokrotnianie z podzia�em cz�stotliwo�ci), subkanalizacja, multipleksowanie czasu, moc kontrola, modulacja i kodowanie dla adaptacji QoS, formowania wi�zki i kodowania czasoprzestrzeni dla anten MIMO.

• Potencjalne zagro�enie dla zdrowia

Urz�dzenia kognitywne 5G b�d� mia�y z�o�one mo�liwo�ci obliczeniowe i aplikacyjne bez predefiniowanego po��czenia z sieci�. Te wielostandardowe urz�dzenia mobilne, je�li s� obs�ugiwane za pomoc� technologii CR, mog� uzyska� dost�p do widma licencjonowanego i zwolnionego z licencji widma, kt�re mog� zak��ca� wra�liwy sprz�t medyczny. W zwi�zku z tym nale�y wprowadzi� kompleksow� polityk� regulacyjn� w zakresie zdrowia / widma dla u�ytkownik�w mobilnych Cognitive 5G, sprz�tu medycznego i technologii informacyjnej.

• Bezpiecze�stwo i prywatno��

Bezpiecze�stwo i prywatno�� to nieod��czne wymagania sieci 5G. Wraz ze wzrostem liczby urz�dze� mobilnych 5G, takich jak smartfony i tablety, potrzeba bezpiecze�stwa jest niezb�dna w pozyskiwaniu informacji mi�dzy u�ytkownikami. Urz�dzenie mobilne Cognitive 5G inteligentnie ��czy si� ze zr�nicowanym zakresem dost�pnych technologii bezprzewodowych w �rodowisku radiowym, dlatego nale�y rozwa�y� bezpieczn� transmisj� danych z wbudowanym uwierzytelnianiem. Zasadniczo, inteligentne algorytmy bezpiecze�stwa oparte na wewn�trznych parametrach radiowych i wiedzy o �rodowisku radiowym s� wymagane do uzyskania bezpiecznego �rodowiska wielu technologii. W tym celu bezpiecze�stwo danych i prywatno�� s� kluczowymi wyzwaniami w terminalach 5G i musz� istnie� aktualne przepisy dotycz�ce prywatno�ci recenzji. Prace normalizacyjne stoj� przed trudnym wyzwaniem, jakim jest odpowied� na wysokie zapotrzebowanie publiczne na uniwersalne, dynamiczne, zorientowane na u�ytkownika i bogate w dane aplikacje bezprzewodowe. Koncepcja skoncentrowana na u�ytkowniku obejmuje tak�e ochron� prywatno�ci i utrzymanie zaufania.

• Zarz�dzanie zasobami radiowymi (RRM)

W sieciach Cognitive 5G nale�y stosowa� skuteczn� i wydajn� strategi� zarz�dzania zasobami radiowymi, opart� na dok�adnie postrzeganych i szacowanych parametrach radiowych. Powinno to zosta� osi�gni�te przy u�yciu: wykrywania widma, unikania zak��ce�, efektywnego przydzia�u mocy oraz odpowiedniego wyboru kana�u i wymaganego pasma. Dynamiczne i rzeczywiste algorytmy RRM w sieciach 5G mog� by� wykonywane w celu optymalizacji wykorzystania zasob�w radiowych i spe�nienia po��danego QoS dla sieci. Dynamiczne strategie RRM mog� by� implementowane w architekturze scentralizowanej lub rozproszonej. Rozproszony mechanizm RRM jest prezentowany przez IEEE w aktualnej standaryzacji 802.16h. 802.16h proponuje protok� koegzystencji, aby w��czy� wszystkie powi�zane funkcje, takie jak wykrywanie topologii s�siedztwa, rejestracja w zdefiniowanej bazie danych lub negocjowanie udost�pniania widma radiowego. Wsp�lny dynamiczny algorytm zarz�dzania zasobami radiowymi mo�e by� wykonywany przez dost�pne sieci (licencjonowane i zwolnione z licencji) oraz kognitywn� mobiln� sie� komputerow�. Strategia ta znacz�co poprawia wydajno�� sieci i jako�� us�ug dla u�ytkownik�w ko�cowych.

Podsumowanie

Om�wiono tu mo�liwo�ci kognitywnej technologii radiowej jako jednego z kluczowych czynnik�w dla nadchodz�cej sieci kom�rkowej 5G. Wysi�ki zmierzaj�ce do ci�g�ego dostarczania du�ych szybko�ci transmisji danych, aby dopasowa� si� do r�norodno�ci aplikacji dost�pnych na r�nych platformach mobilnych, doprowadzi�y do post�p�w w technikach zarz�dzania zasobami radiowymi i zbli�y�y pojemno�� system�w komunikacyjnych do maksymalnej pojemno�ci Shannona. Wprowadzenie dodatkowej przepustowo�ci wydaje si� obiecuj�cym sposobem zwi�kszenia szybko�ci przesy�ania danych i wydajno�ci systemu w sieciach 5G. W tej cz�ci przedstawiono podstawy kognitywnej technologii radiowej, optymalizacj� widma w sieciach 5G, agregacj� no�nik�w w kontek�cie poznania w sieciach 5G oraz kluczowe wymagania i wyzwania dla urz�dze� 5G

Technologia 5GZab�jca czy Przyjaciel?

Radio poznawcze dla sieci bezprzewodowych 5G