Глава 1. Развитие и архитектура когнитивной сети беспроводного доступа

Сети передачи данных являются жизненно важным компонентом любого современного общества. Они широко используются в различных областях, в том числе финансовых операций, социальных взаимодействий, образований, национальной безопасности, и торговле. В частности, как проводные, так и беспроводные устройства способны выполнять множество дополнительных функций, которые поддерживают широкий спектр услуги, такие как голосовая телефония, веб-браузер, потоковая мультимедиа и передачи данных. С быстрым развитием микроэлектроники и ростом потребности в информационном обмене и его значимости в жизни, беспроводные приемопередатчики становятся все более универсальными, мощными и портативными. Это позволило развитие когнитивной сети за последние десять лет, имеющая многие возможности в отличии от других беспроводных сетей [1].

1.1. Эволюция беспроводных сетей связи

Беспроводные сети связи прошли эволюционный путь развития, в котором нарастали их географические масштабы и расширялось количества предоставляемых услуг.

Первым и самым важным этапом эволюции беспроводных сетей, как и всей области телекоммуникаций, является переход от передачи аналогового сигнала к цифровому сигналу. Изменение технологии передачи на цифровую позволило повысить качество передачи сигнала и увеличить скорость передачи информации. Путь развития цифровых беспроводных сетей начал от сетей с коммутацией каналов (КК) и дошел до сетей с коммутацией пакетов(КП). Это объясняется тем, что пакетные технологии обладают возможностью предоставления мобильным пользователям разнородных, в том числе интегральных услуг, и обеспечивают более эффективное использование частотных и сетевых ресурсов [2]. На рис. 1.1 показано развитие беспроводных сетей с примерами стандартов, соответствующих поколениям этих систем связи

Рис. 1.1. Эволюция технологий беспроводных систем связи

Следует отметить, что самое пристальное внимание производителей при разработке, органов стандартизации при утверждении и очень короткое время внедрения у операторов связи сейчас имеют технологии 4G (рис. 1.1), т.е. подходящие под требования IMT-Advanced - WiMAX и LTE относятся к сетям масштаба города. Это происходит в связи с наибольшей коммерческой выгодой, которая, в свою очередь, происходит как из-за подходящей под запросы пользователей скорости передачи и возможности мобильности пользователей, так и из-за значительной зоны охвата - выгодной в большей степени операторам.

С момента публикации первой версии стандарта IEEE 802.11 в 1997 г. появилось множество новых задач, которые требовали обеспечения бесперебойной работы движущихся станций и расширения зоны покрытия сети. Расширение зоны покрытия сети означает, что некоторые станции связной сети связи находятся вне зоны радиоприема друг друга, поэтому для доставки пакетов между ними требуется ретрансляция пакетов через промежуточные станции [3].

Кроме увеличения зоны покрытия, новые стандарты беспроводных сетей связи становятся более усложненными с точки зрения функционирования. В настоящий момент широко применяются программно-определяемые радиосистемы (Software-defined radio - SDR). Сам термин был введен «отцом» SDR и беспроводных когнитивных систем - Джозефом Митолой III. Системы SDR позволяют радиоустройствам, от военных раций до мобильных телефонов, работать на разных частотах, с разными видами сигналов, по разным технологиям беспроводной связи. Используя технологии цифровых сигнальных процессоров (ЦСП), SDR-устройства позволяют работать и с GSM, и с CDMA-сигналом. По мере развития технологий беспроводной связи, системы SDR становятся всё сложнее и интеллектуальнее. Простейшим примером современных SDR-систем являются современные мобильные телефоны и планшетные компьютеры, имеющие возможность передавать данные как по технологии Wi-Fi, так и по UMTS.

Дальнейшее развитие технологий беспроводной связи будет вести к созданию гибридных технологий, использующих каждую из технологий, показанных на рис. 1.2. К сожалению, в данный момент, ввиду своей сложности, внедрение принципиально новой элементной базы задерживается, поэтому возможная организация гибридных технологий пока неизучена.

Рис. 1.2. Эволюция технологии построения беспроводной связи

Вместе с усложнением технологий построения беспроводных средств связи развиваются и методы управления беспроводными сетями. В данный момент, передовым в этой области выглядит функционирование когнитивных беспроводных сетей. Основные преимущества использования когнитивных технологий при построении беспроводных сетей - меньшая зависимость от регулируемых диапазонов используемого частотного спектра, адаптивность к постоянно изменяющейся среде передаче данных, а также к изменениям внутри беспроводной сети передачи данных (БСПД). Примером таких сетей является стандарт IEEE 802.22. Сеть функционирует в спектре телевизионных частот, относится к WRAN - беспроводным региональным сетям [3].