Përdoruesi:Bzzylfiu/sandbox

Radio kognitive

Radio kognitive (CR) është një formë e komunikimit me valë në të cilën pranuesi mund të zbulojë në mënyrë inteligjente se cilat kanalet te komunikimit janë në përdorim dhe lëvizin menjëherë në kanale të lira duke shmangur zënien e tyre. Kjo optimizon përdorimin e radio-frekuencave të disponueshme (RF) të spektrit duke minimizuar ndërhyrjen ndaj përdoruesve të tjerë. Funksionet e mundshme të radios kognitive përfshijnë aftësinë e një transmetuesi për të përcaktuar vendndodhjen e tij, identifikoj dhe autorizoj përdoruesit e tij, enkriptoj ose deshifroj sinjalet, ndjejnë pajisjet fqinje me valë që janë në funksionim etj.

Hyrje

Radio kognitive i referohet një lloji të komunikimit pa tela në të cilin radio përshtatet automatikisht me mjedisin e saj për të përmirësuar efikasitetin dhe besueshmërine e komunikimit. Qëllimi i radios kognitive është të përmirësojë përdorimin e spektrit të disponueshëm të radios duke lejuar pajisjet të “mësojnë” dhe të përshtaten me mjedisin e tyre në kohën reale.

Radiot kognitive (CR) dhe gjenerata e pestë celulare (5G) konsiderohen si teknologjitë e ardhshme. CR ofron mundësinë për të rritur ndjeshëm efikasitetin e spektrit, duke mundësuar përdoruesit sekondarë inteligjentë të përdorin vrimat e spektrit e lirë të përdoruesve të licencuar. Në anën tjetër 5G nënkupton ndërlidhjen gjithë botës me valë së bashku me aplikacionet e shërbimit të cilësisë së shërbimit (QoS) dhe me shpejtësi shumë të larta të të dhënave.

Konceptet e Radios Kognitive

Miratimi i teknologjisë të radios kognitive si teknologji për gjeneratën e ardhshme të rrjeteve pa tela rezultuan në shfaqjen e koncepteve dhe përkufizimeve të reja.

Disa nga konceptet e reja qe hasen në CR janë si ne vijim:

1.    Rjetet dhe përdoruesit primar/sekondar

Prania e pajisjeve CR i ndan përdoruesit e spektrit pa tela në dy lloje: përdoruesit kryesorë (të licencuar) dhe përdoruesit dytësorë (të palicensuar/njohës).

Dy rrjete do të bashkëjetojnë ne rast se rrjeti primar, i cili përmban të gjithë përdoruesit kryesorë me sistemet e tyre përkatëse të licencuara të komunikimit dhe një rrjet dytësor të pavarur që përmban përdorues kognitiv dytësorë të palicensuar. Përdoruesit primar janë përdoruesit ekzistues origjinal që mund të kenë akses të trashëguar në brezat e tyre të dedikuar të spektrit pa kushte në çdo kohë ose vend. Përdoruesit sekondar aksesojnë spektrin në një mënyrë oportuniste. Prioriteti për aksesin në spektër shkon gjithmonë te përdoruesi kryesor. Nëse përdoruesi sekondar është duke transmetuar mbi një kanal të caktuar, ai duhet ta evakuojë kanalin menjëherë nëse një përdorues primar ndjehet se po përpiqet për të hyrë në këtë kanal.

2.    Vrimat e spektrit

Një vrimë spektri sipas përkufizimit është një brez frekuencash të alokuara për një përdorues të licencuar, por nëse në një kohë të caktuar një brez është i pashfrytëzuar nga përdoruesi primar, atëherë spektri qëndron momentalisht bosh. Një vrimë spektri mund të shihet nga fusha e kohës dhe fusha e frekuencës. Në domenin kohor, një vrimë spektri është intervali në kohë në të cilin përdoruesi kryesor nuk transmeton. Në domenin e frekuencës, një vrimë spektri është një brez frekuence që një përdorues dytësor mund të përdorë për transmetim pa shkaktuar ndërhyrje për të gjithë përdoruesit primar në të gjitha frekuencat.

Sipas Vuran, I.F. Akyildiz (2007) një vrimë spektri u klasifikua në tre lloje:

• Hapësirat e zeza, të cilat janë plotësisht të zëna nga përdoruesit kryesorë
• Hapësirat gri, të cilat janë pjesërisht të zëna nga ndërhyrësit me fuqi të ulët, si p.sh. pajisjet UWB).
• Hapësirat e bardha, të cilat janë pa ndërhyrje RF me përjashtim të zhurmës së ambientit.

Parimi i një operacioni të radios kognitive bazohet kryesisht në gjetjen e këtyre vrimave dhe transferimit e të dhënave përmes tyre.

3.    Bashkimi i spektrit

Bashkimi i spektrit është një term që përfaqëson bashkëjetesën e sistemeve parësore dhe dytësore brenda të njëjtit interval të frekuencës. Ajo mundëson shfrytëzimin e brezave të frekuencave tashmë të licencuara nga sistemi dytësor (kognitiv). Nocioni i bashkimit të spektrit në thelb përfaqëson idenë e bashkimit të fushave spektrale nga pronarë të ndryshëm të spektrit në një grup të përbashkët. Qëllimi i bashkimit të spektrit është për të rritur efikasitetin spektral duke mbivendosur një sistem të ri (system radio kognitiv) mbi një system ekzistues pa kërkuar ndonjë ndryshim në sistemin të licencuar aktual.

4.    Kanalet shumëdimensionale në hapësirën e spektrit shumëdimensional

Spektri konsiderohet një sasi fizike, prandaj duhet të matet në njësi. Një kanal konsiderohet si njësia bazë e spektrit në çdo sistem komunikimi. Megjithatë, përkufizimi i një kanali ndryshon nga një aspekt në tjetrin. Në mënyrë konvencionale, një kanal përcaktohet në dimensionin e frekuencës si një brez i caktuar frekuencash, por ky është përkufizim i kufizuar me një dimension që nuk i përshtatet teknologjisë së radios kognitive si teknologji për të ardhmen. Një përkufizimi i gjerë gjithëpërfshirës përcakton spektrin që do të ndahet në një grup kanalesh ortogonale jo ndërhyrëse. Ky përkufizim zgjeron një kanal që të ketë më shumë se një dimension, të tilla si: fuqia, vendndodhja, drejtimi i mbërritjes (DOA), kodi, etj. Pasi në thelb një kanal është një pjesë e hapësirës së spektrit, përkufizimi i një hapësire spektri rrjedhimisht duhet të zgjerohet për të përfshirë natyrën shumëdimensionale.

Qasja dinamike e spektrit në sistemet e radios kognitive kërkon një konsideratë më të madhe të përdorimit të kohës si dimension i hapësirës së sinjalit, duke qenë se në çdo moment kohor shfrytëzimi i kanalit shpërndan ndryshimet dhe rrjedhimisht shpërndarja e vrimave të spektrit ndryshon. Kjo kërkon shkallë shumë të lartë të përditësimit të të dhënave të spektrit për të shmangur ndikimin e në transmetimin e përdoruesit primar. Kur përcaktohen dimensionet e hapësirës së spektrit, dimensionet supozohen të jenë ortogonale, domethënë, vlerat përcaktojnë në mënyrë unike një pikë në hapësirë. Megjithatë, disa nga parametrat e mundshëm (p.sh. modulimi), nuk përcaktojnë domosdoshmërisht një parametër ortogonal, por ato ende mund të përdoren për të dalluar sinjalet.

Një model i hapësirës së spektrit 3D për modelimin e burimeve të rrjetit u propozua nga Vuran, I.F. Akyildiz. Dimensionet janë koha, shpejtësia dhe fuqia/kodi. Dimensioni i kohës modelon kohën e nevojshme për transferimin e informacionit. Dimensioni i shpejtësisë modelon shpejtësinë e të dhënave të rrjetit dhe dimensioni i fuqisë/kodit modelon energjinë e konsumuar për transmetimin e informacionit përmes rrjetit. Rrjetet parësore dhe kognitive përfshijnë të dy aksesin heterogjen të spektrit dhe teknikat e shfrytëzimit. Për të garantuar ndërveprim të suksesshëm ndërmjet këtyre rrjeteve, një modeli universal për një njësi spektrale duhet të specifikohet për të krijuar një "monedhë" të përbashkët spektrale që thjeshton "tregtimin" e spektrit midis sistemeve të ndryshme të komunikimit. Nga radio kognitive përkatëse, një njësi spektri do të ndihmojë në modelimin efikas të hapësirës së spektrit shumëdimensional, të specifikojë saktësisht mundësitë e disponueshme të spektrit, në mënyrë efikase ti shpërndajë ato mbi përdoruesit e CR dhe të jetë në gjendje të vlerësonjë performancën e rrjeteve parësore dhe të rrjetve kognitive.

Funksionalitetet e Radiove Kognitive

Për të mundësuar aksesin në spektër, funksionet kryesore të rrjeteve CR janë:

Ndjeshmëria e spektrit

Kjo i referohet detektimit të vrimave të spektrit.  Ndjeshmëria i spektrit duhet të jetë i vazhdueshëm i tillë që sa herë që një përdorues primar hyn sërish në spektër, ai të tregoj që nyjet CR të ndërpresin transmetimin menjëherë. Mund të zbatohet nëpërmjet sensorit brenda brezit, sensorit jashtë brezit dhe bazat e të dhënave të gjeolokacionit.

Vendimi i spektrit

Vendimi i spektrit është aftësia e një CR për të zgjedhur brezin më të mirë të spektrit në dispozicion për të përmbushur kërkesat e cilësisë së shërbimit (QoS) të përdoruesve dytësorë, pa shkaktuar ndërhyrje të dëmshme te përdoruesit parësorë. Vendimi i spektrit përfshin karakterizimin e spektrit, përzgjedhjen e spektrit dhe funksionet e rikonfigurimit. Pasi identifikohet spektri i disponueshëm, hapi i parë është te karakterizohet bazuar jo vetëm në kushtet aktuale të mjedisit radio, por edhe në aktivitetet e PU. Hapi i dytë përfshin përzgjedhjen e spektrit, ku brezi më i përshtatshëm i spektrit është zgjedhur për të përmbushur kërkesat e QoS. Së fundi, CR duhet të jetë në gjendje të rikonfigurohet parametrat e tij të transmetimit për të lejuar komunikimin në brezin e zgjedhur.

Ndarja e spektrit

Ndarja e spektrit i referohet ndarjes së drejtë të vrima të spektrit midis pajisjeve të ndryshme CR. Ai bazohet në planifikimin dhe mund të kryhet në kohë, frekuencë, kod dhe në dimensionet e hapësirës. Ai është projektuar gjithashtu për të shmangur ndërhyrjet e padëshiruara në rrjet. Mund të jetë i centralizuar ose i shpërndarë. Në të parën, aksesin dhe shpërndarjen e kontrollon një entitet qëndror duke përdorur rezultatet e ndijimit që merr nga nyjet e shpërndara. Kjo entitet llogarit vendimet e spektrit. Në këtë të fundit, pa një subjekt qendror, çdo nyje merr vendime për spektrin bazuar në informacionin dhe rregullat lokale.

Lëvizshmëria e spektrit

Lëvizshmëria e spektrit është një temë sfiduese për aktivitete të ndryshme kërkimore që lidhen me rrjetet heterogjene dhe rrjeteve të radiove kognitive. Objektivi kryesor i lëvizshmërisë së spektrit në rrjetet e radiove kognitive duhet të kryejnë kalimin pa probleme të kanalit duke ruajtur performancën e përdoruesve sekondarë gjatë komunikimit. Lëvizshmëria e spektrit ndahet në dy procese: transferimi i spektrit dhe menaxhimin e lidhjes. Dorëzimi i spektrit është procesi i transferimit të transmetimit të vazhdueshëm të të dhënave nga kanali aktual në një kanal tjetër të lirë. Kjo natyrisht shkakton vonesë shtesë në komunikimin përdoruesve sekondarë që ndikon në performancën e përdoruesve. Për të kompensuar  vonesën e pashmangshme të dorëzimit, procesi i menaxhimit të lidhjes menaxhon dhe rregullon parametrat e protokollit në varësisht nga situata aktuale.

Rrugëtimi i CR

Fusha kërkimore e rrugëtimit të CR bazohet kryesisht në kërkesën CR për të ndërvepruar me sisteme të ndryshme dhe ndikohet fuqishëm nga teknikat e ndarjes së spektrit.

Faktorë që shfaqen në dizajnin e metrikës së rrugëtimit të CR:

• CR duhet të përshtatet me sistemet ekzistuese (shumë të rëndësishme janë protokollet që funksionojnë në sistemet ekzistuese),

• mënyra se si kanalet e spektrit shpërndahen ndërmjet përdoruesve.

CR trashëgojnë karakteristikat e rrjetit PS (Sistemet Primare): të bazuara në infrastrukturën rrjetë, rrjete ad-hoc, sensorë etj.; Këto lloje të arkitekturës imponojnë një algoritëm specific të rrugëtimit, i cili gjithashtu duhet të përfshijë pajisjet CR dhe mundësinë që një CR të jetë një nyje ritransmetimi për një CR tjetër.

Sipas Khalife, Malouch, & Fdida, (2009) periudha kohore që brezat e spektrit janë të papërdorura nga PU-të imponojnë një teknikë specifike e rrugëtimit. Sipas tyre, identifikohen tri raste:

(1) periudha që CR-të kanë nevojë për brezat e spektrit është më e vogël se periudha e PU-së boshe: rrugëtimi statik me rrjetë (nëse periudhat boshe lejojnë, do të kemi rrugëtim proaktiv),

(2) periudha e disponueshmërisë së kanaleve ndryshon dinamikisht në kohë: algoritme të reja specifike për shembull bazuar në algoritme gjenetike, programim evolucionar etj.,

(3) periudha e PU boshe është më e vogël se periudha që CR ka nevojë për brezat e spektrit: përcjellje oportuniste pa rrugë të paracaktuara (sipas kërkesës/rrugëtimit reaktiv).

Kur pajisjet CR transmetojnë të dhëna/pako nga një burim CR në një destinacion, nevojiten protokolle efikase të rrugëtimit. Rrugëtimi në rrjetet CR është një çështje kritike sepse vrimat e spektrit të disponueshëm janë të përhapura gjerë dhe në distanca të gjata.

Problemet me rrugëtimin në një rrjet CR përfshijnë padisponueshmërinë e kanalit të kontrollit për të ndarë informacionin e lidhjes së nevojshme për protokollet dinamike të rrugëtimit midis fqinjëve, arritshmëria e pajisjeve CR është e penguar për shkak të dinamikës së kanalit, nevoja për të patur algortime të ridrejtimit për të ndryshuar rrugën kur një ose më shumë pajisje CR bëhen të padisponueshme për shkak të ndërprerjeve nga sistemi primar, pamjaftueshmëria e matjeve tradicionale të rrugëtimit dhe menaxhimin e radhëve të paketave të ndryshme në një  mjedis spektral dinamik.

5G

5G është gjenerata e pestë e teknologjisë celulare të komunikimit celular. Është krijuar për të ofruar shpejtësi më të shpejtë, vonesë më të ulët dhe lidhje më të besueshme se gjeneratat e mëparshme të teknologjisë celulare. 5G përdor një sërë teknologjish dhe brezash frekuencash për të arritur këto qëllime, duke përfshirë:

·      breza të frekuencave më të larta (të tilla si valë milimetrike) të cilat ofrojnë më shumë gjerësi brezi, por kanë rreze më të shkurtër dhe bllokohen më lehtë nga pengesat fizike.

·      qeliza të vogla (të tilla si mikroqelizat dhe pikoqelizat) të cilat vendosen në zona me popullsi të dendur për të rritur kapacitetin dhe për të reduktuar mbingarkesën

·      prerja e rrjetit që lejon lloje të ndryshme të trafikut (si kontrolli industrial me vonesë të ulët ose transmetimi i videos me gjerësi të lartë) të trajtohen nga pjesë të ndryshme të rrjetit

Rrjetet 5G përdorin gjithashtu teknologji të avancuara si MIMO masive (hyrje të shumëfishta, dalje të shumëfishta) dhe formim rrezesh për të përmirësuar cilësinë e sinjalit dhe për të rritur kapacitetin. 5G pritet të mundësojë raste të reja përdorimi si Interneti i Gjërave (IoT), automjetet autonome dhe realiteti virtual.

Radio Kognitive në 5G

Teknologjia kognitive e radios luan një rol të rëndësishëm në zhvillimin e rrjeteve pa tela 5G. Shpejtësia e lartë e të dhënave, vonesa e ulët dhe kërkesat e besueshmërisë së lartë të aplikacioneve 5G mund të arrihen vetëm duke përdorur në mënyrë efikase burimet e disponueshme të spektrit. Teknologjia e radios kognitive lejon rrjetet 5G të aksesojnë dhe të përdorin në mënyrë dinamike pjesë të pashfrytëzuara të spektrit, duke rritur kështu efikasitetin e përgjithshëm të spektrit.

Në rrjetet 5G, radio kognitive mund të përdoret për disa qëllime si:

• Qasja dinamike e spektrit - mundëson pajisjeve 5G të aksesojnë në mënyrë oportuniste pjesë të pashfrytëzuara të spektrit pa shkaktuar ndërhyrje te përdoruesit e licencuar.

• Menaxhimi i ndërhyrjeve - mundëson që pajisjet 5G të zbulojnë dhe të përshtaten me ndërhyrjet nga pajisjet e tjera në rrjet, duke përmirësuar kështu performancën e komunikimit.

• Ndarja e spektrit - mundëson pajisjeve 5G të ndajnë spektrin me pajisje të tjera në rrjet, si pajisjet Wi-Fi dhe Zigbee, për të përmirësuar përdorimin e përgjithshëm të spektrit.

Përparësitë e radios kognitive në 5G:

• Rritja e efikasitetit të spektrit: radio kognitive lejon pajisjet 5G të aksesojnë dhe të përdorin në mënyrë dinamike pjesë të pashfrytëzuara të spektrit, duke rezultuar në përdorimin e përmirësuar të spektrit dhe kapacitet më të lartë të rrjetit.

• Performanca e përmirësuar e komunikimit: radio kognitive u mundëson pajisjeve 5G të përshtaten me ndryshimet në mjedis, si ndërhyrja nga pajisjet e tjera, për të përmirësuar performancën dhe besueshmërinë e komunikimit.

• Kostot e reduktuara: radio kognitive mund të zvogëlojë koston e vendosjes së rrjeteve 5G duke lejuar pajisjet të operojnë në spektrin e palicensuar, duke reduktuar nevojën për licenca të shtrenjta të spektrit.

• Mbështetje e përmirësuar për komunikimet IoT dhe M2M: radio kognitive mund të mundësojë që pajisjet me fuqi të ulët dhe me kosto të ulët të funksionojnë në spektrin e palicensuar, duke lehtësuar kështu vendosjen e komunikimeve IoT dhe M2M.

Sfidat e radios kognitive në 5G:

• Menaxhimi i interferencave: pajisjet kognitive të radios duhet të jenë në gjendje të zbulojnë dhe përshtaten me ndërhyrjet nga pajisjet e tjera, gjë që mund të jetë një detyrë komplekse dhe mund të kërkojë teknika të avancuara të përpunimit të sinjalit.

• Menaxhimi i spektrit: pajisjet njohëse të radios duhet të jenë në gjendje të aksesojnë dhe të përdorin pjesë të pashfrytëzuara të spektrit pa shkaktuar ndërhyrje të dëmshme për përdoruesit kryesorë, gjë që mund të jetë një detyrë sfiduese.

• Standardizimi: teknologjia e radios kognitive është ende në zhvillim dhe ka nevojë për standardizim për të siguruar që pajisjet nga prodhues të ndryshëm mund të ndërveprojnë.

• Siguria dhe privatësia: pajisjet e radios kognitive mund të jenë të cenueshme ndaj sulmeve dhe formave të tjera të ndërhyrjeve, prandaj është e nevojshme të sigurohet që siguria dhe privatësia e komunikimeve të mbrohen.