HYBRYDOWE METODY SENSINGU WIDMA HYBRID DETECTIONS METHOD OF SPECTRUM SENSING

Transkrypt

1 HYBRYDOWE METODY SENSINGU WIDMA HYBRID DETECTIONS METHOD OF SPECTRUM SENSING Marek Suchański, Józef Pawelec, Krzysztof Kosmowski, Mateusz Kustra Wojskowy Instytut Łączności, Zegrze, ul. Warszawska 22A e mail: * {m.suchanski, j.pawelec, k.kosmowski, m.kustra}@wil.waw.pl Streszczenie: Gwałtowny rozwój systemów wykorzystujących technologie bezprzewodowe powoduje zwiększenie problemu niedoborów widma. Z tego powodu koniecznym jest wprowadzenie nowych, bardziej elastycznych procedur dostępu do widma, zwłaszcza dla wojskowych systemów łączności. Dlatego pojawiła się koncepcja dynamicznego dostępu do widma (ang. Dynamic Spectrum Access, DSA). Najbardziej zaawansowaną formą koncepcji DSA jest tzw. oportunistyczny dostęp, który znajdzie swe ucieleśnienie w przyszłych rozwiązaniach radia kognitywnego. Sensing widma jest jednym z najtrudniejszych wyzwań stojących przed projektantami urządzeń (systemów) kognitywnych. Sensing ma na celu wykrycie pustych, niezajętych przez użytkownika pierwotnego (licencjonowanego) fragmentów widma, które mogą zostać wykorzystane przez użytkownika wtórnego. W referacie omówiono rodzaje sensingu widma ze szczególnym uwzględnieniem metod hybrydowych pozwalających na zwiększenie efektywności wykrywania użytkownika pierwotnego. Słowa kluczowe: radio kognitywne, sensing, detektor hybrydowy, DSA. Abstract: The rapid development of systems using wireless technologies causes increasing of spectrum shortage problem. For this reason, it is necessary to introduce new, more effective spectrum management procedures, particularly for military communication systems. That is why a concept of dynamic access to the spectrum (DSA) appeared. The most advanced form of DSA is so called opportunistic access which will find its embodiment in future solution of cognitive radio. Spectrum sensing is one of the most difficult challenges faced by designers of cognitive equipment (systems). Sensing is designed to detect the empty, unoccupied by a primary user (licensed) parts of the spectrum that can be used by the secondary user. The paper discusses the types of spectrum sensing with particular focus on hybrid methods to increase the efficiency of detection the primary user. Keywords: cognitive radio, sensing, hybrid detector, DSA. 1.WSTĘP Ze względu na dużą dynamikę działań prowadzonych w ramach operacji wojskowych, systemy bezprzewodowe stają się głównym narzędziem komunikacji. Dynamiczny rozwój łączności bezprzewodowej, wzrastające nasycenie urządzeniami radiowymi i w efekcie pojawiające się niedostatki widma spowodowały podjęcie prac nad technologiami zapewniającymi 1

2 kompatybilną pracę tych urządzeń, przy jednoczesnym zapewnieniu wymaganej jakości łączności. Stąd powstała idea współdzielenia widma oraz koncepcja radia kognitywnego. W radiowych sieciach kognitywnych jednym z najważniejszych wyzwań jest rozpoznawanie środowiska elektromagnetycznego, którego celem jest identyfikacja niewykorzystywanych fragmentów widma i detekcja emisji w analizowanym zakresie częstotliwości, zwłaszcza w doraźnych (ang. ad-hoc) sieciach radiowych. W wojskowych systemach łączności radiowej istnieją ściśle zdefiniowani użytkownicy, dzięki czemu możliwe jest zastosowanie detektorów cech dystynktywnych sygnałów o znanych parametrach. W referacie omówiono ideę dynamicznego dostępu do widma (ang. Dynamic Spectrum Access DSA) jako rozwiązanie problemu niskiej efektywności wykorzystania widma wywołanego stosowaniem statycznych metod zarządzania i użytkowania go. Scharakteryzowano również różne metody sensingu autonomicznego po metody sensingu hybrydowego. 2.DYNAMICZNY DOSTĘP DO WIDMA Wzrost liczby urządzeń radiowych wykorzystujących te same zakresy widma prowadzi do wzajemnych zakłóceń. Wzrost interferencji powoduje degradację jakości transmisji, a powyżej określonego, dopuszczalnego poziomu jej całkowite zakłócenie. Dlatego podjęte zostały badania nad zwiększeniem efektywności wykorzystania widma poprzez jego współdzielenie drogą stosowania tzw. dynamicznego dostępu do niego. W literaturze rozważa się dwie architektury DSA: koordynowany dynamiczny dostęp do widma (ang. Coordinated Dynamic Spectrum Access CDSA), polegający na wykorzystaniu pewnej infrastruktury z brokerem częstotliwości, jako jej głównym elementem; oportunistyczny dostęp do widma (ang. Opportunistic Spectrum Access OSA), który realizuje ideę oportunistycznego wykorzystania nieużywanych chwilowo fragmentów widma (ang. spectrum holes), z przestrzeganiem zasady niezakłócania innych środków radiowych. W tej filozofii przewiduje się konieczność stworzenia zaawansowanych metod badania zajętości widma. Filozofia ta znajdzie w przyszłości ucieleśnienie w nowej generacji systemów bezprzewodowych - tzw. radia kognitywnego (ang. Cognitive Radio CR). W porównaniu do obecnie wykorzystywanego statycznego zarządzania widmem, koncepcja CDSA jest bardziej elastyczna. Jednakże to idea oportunistycznego dostępu do widma (OSA) jest 2

3 techniką zapewniającą najbardziej efektywne wykorzystanie jego zasobów. Potencjalne możliwości radia kognitywnego, szerokie stosowanie technik adaptacyjnych, rozpoznawanie środowiska radiowego, stosowanie metod uczenia i inteligentnego podejmowania decyzji powodują, że technologia CR stała się wiodącą w rozwoju sieci bezprzewodowych [13]. Współużytkowanie widma definiowane jest jako wykorzystywanie tego samego zakresu częstotliwości przez różnych użytkowników funkcjonujących na tym samym obszarze geograficznym przy zachowaniu ściśle określonych reguł. W ramach idei DSA użytkownicy widma dzieleni są na priorytetowych (licencjonowanych), którzy posiadają wyższy priorytet lub prawne upoważnienia do użytkowania określonej części widma oraz użytkowników wtórnych posiadających niższy priorytet. Użytkownicy wtórni mogą korzystać z widma w taki sposób, aby nie powodować zakłóceń transmisji użytkownika pierwotnego. Podstawowym wyzwaniem dla sieci z dynamicznym dostępem do widma jest budowanie wiedzy o jego stanie zwanej świadomością widmową (ang. spectrum awareness). Jedną z metod tworzenia takiej świadomości, rozważanych w literaturze, jest sensing (rozpoznawanie) widma, polegający na monitorowaniu szerokich fragmentów widma i wykrywaniu (detekcji) kanałów wolnych i kanałów, w których występują sygnały o znaczącej energii. 3.CHARAKTERYSTYKA METOD SENSINGU WIDMA Skanowanie widma (sensing) jest najważniejszą funkcjonalnością radia kognitywnego, zapewniającą brak wzajemnych interferencji. Sensing ma na celu wykrycie niezajętych w danym momencie pasm częstotliwości przez użytkownika pierwotnego i w efekcie udostępnienie ich użytkownikom wtórnym. Haykin działanie to definiuje jako wyszukiwanie nieużytkowanych częstotliwości drogą skanowania przeprowadzanego lokalnie przez odbiorniki stanowiące element sieci [1]. Termin nieużytkowane częstotliwości oznacza te podzakresy widma, które są w określonym czasie i miejscu niewystarczająco wykorzystywane (całościowo lub częściowo). Dąży się do tego by decyzja o zajętości widma podjęta została z wysokim prawdopodobieństwem przy zadanym odpowiednio niskim poziomie SNR. 3

4 Proces detekcji sygnału sprowadza się wówczas do wyboru jednej z dwóch hipotez, a mianowicie: η( t) y( t) = hx( t) + η( t) H H 0 1 (1) gdzie: y(t) sygnał odbierany, x(t) sygnał nadawany przez użytkownika priorytetowego, η(t) addytywny biały szum gaussowski (ang. Additive White Gaussian Noise AWGN), h poziom tłumienia kanału, H o : hipoteza wg której sygnał wejściowy jest szumem o zerowej wartości średniej i określonej gęstości spektralnej w zadanym paśmie częstotliwości co oznacza brak aktywności użytkownika priorytetowego (brak wykrytych sygnałów komunikacyjnych na danej częstotliwości); H 1 : hipoteza wg której wejściowy sygnał to sygnał plus szum co oznacza występowanie sygnału użytkownika priorytetowego (dana częstotliwość jest zajęta). Wynikiem sensingu mogą być cztery typy decyzji opisane następującymi prawdopodobieństwami: prawdopodobieństwo detekcji szumu, gdy sygnałem wejściowym jest szum ( P 0 H 0 ); prawdopodobieństwo detekcji sygnału, gdy sygnałem wejściowym jest szum. Jest to prawdopodobieństwo fałszywego alarmu (P F H 0 ); prawdopodobieństwo detekcji szumu, gdy sygnałem wejściowym jest deterministyczny sygnał oraz szum. Jest to prawdopodobieństwo błędnej detekcji (P N H 1 ); prawdopodobieństwo detekcji sygnału, gdy sygnałem wejściowym jest deterministyczny sygnał oraz szum. Jest to prawdopodobieństwo detekcji (P D H 1 ). Do zagadnienia sensingu odnoszono się w sposób teoretyczny już wielokrotnie. Zaproponowano wiele technik rozpoznawania widma dla systemów radia kognitywnego [2], a ilość publikacji dotyczących tej tematyki jest liczona w tysiące. Wszystkie te metody można sklasyfikować w kilku podstawowych kategoriach w zależności od wykorzystywanych cech sygnału. Najbardziej powszechnymi metodami wykorzystywanymi w procesie rozpoznawania widma [3] są detekcja energii, detekcja cech cyklostacjonarnych, detekcja z wykorzystaniem filtra dopasowanego, detekcja falkowa oraz inne. 4

5 Głównym problemem monitorowania widma jest konieczność opracowania wysokiej jakości algorytmów detekcji oraz wymiany wypracowanej informacji o wyniku analizy pomiędzy węzłami w sieci radiowej. Analiza literatury wykazuje, że w praktyce projektowania systemów DSA najczęściej rozważa się energetyczne metody detekcji ze względu na ich łatwość realizacyjną i dogodność obliczeniową. Jednak metody te cechuje niska efektywność wykrywania emisji przy małych stosunkach sygnału do szumów i w sytuacji gdy poszukiwane sygnały podlegają intensywnym zanikom. Stąd analizuje się również przydatność innych technik polegających na detekcji dystynktywnych cech sygnałów pozwalających odróżnić energię szumów od energii sygnałów zmodulowanych. Te metody detekcji charakteryzują się jednak istotną wadą polegającą na tym, iż zazwyczaj wymagają znacznie dłuższego czasu obserwacji i są bardzo skomplikowane obliczeniowo. Powyższe niedostatki powodują, że w literaturze dotyczącej optymalizacji metod sensingu pod kątem zwiększenia ich efektywności rozważa się detektory o hybrydowej architekturze stanowiące kombinację różnych metod detekcji łączącą w sobie ich zalety [5]-[8]. Ponadto rozważa się możliwość zmniejszenia ilości próbek sygnałów rzutującej na złożoność obliczeniową przy zachowaniu wiarygodności detekcji (ang. compressive sensing) [9]-[12]. 4.CHARAKTERYSTYKA SENSINGU HYBRYDOWEGO Hybrydowe metody sensingu stanowią kombinację różnych metod detekcji (Rysunek 1). Zazwyczaj podstawową jest metoda detekcji energii wspomagana przez jedną lub połączenie kilku metod detekcji dystynktywnych cech poszukiwanych sygnałów. Struktura hybrydowego modelu sensingu zależy od scenariusza, według którego prowadzone jest rozpoznawanie widma. 5

6 Rysunek 1.Sensing hybrydowy W scenariuszu, w którym znane są polityki widmowe (czyli reguły korzystania z widma) sensing polega na monitorowaniu kanał po kanale, a taka metoda nazywana jest sensingiem wielokanałowym (ang. multi-band sensing) [4]. W scenariuszu, w którym brak jest informacji o polityce widmowej czyli brak informacji o częstotliwościach nośnych i szerokościach pasm, sensing kanał po kanale jest nierealizowalny. Wówczas jest on bardziej złożony i ma na celu detekcję częstotliwości nośnych i szerokości pasm poszukiwanych sygnałów. Ten typ sensingu nazywa się szerokopasmowym (ang. wideband sensing) [4]. Zatem sensing wielokanałowy jest szczególnym przypadkiem sensingu szerokopasmowego. Militarne sieci radiowe pola walki oznaczane akronimem MANET (ang. Mobile Ad hoc NETworks) stanowią przypadek, w którym polityki widmowe są wyraźnie zdefiniowane, bowiem znane są częstotliwości nośne, szerokości pasm i inne informacje o sygnałach użytkowników priorytetowych oraz obowiązujących regułach. Informacje te znajdują się w gestii wojskowych zarządców widma (NARFA), zatem mogą być udostępnione urządzeniom tworzącym wojskowe sieci kognitywne. Stąd w projektowaniu i badaniach metod sensingu analizom należy poddać łatwiejszy realizacyjnie multi-band-sensing. 6

7 W takim scenariuszu testować można algorytm, w którym w pierwszej fazie dokonuje się detekcji energii w interesujących kanałach i w ten sposób weryfikuje się hipotezę o przypuszczalnej obecności lub braku sygnału użytkownika priorytetowego (PU). Informacja o obecności w kanale energii przekraczającej wartość progową dowodzi jedynie istnienia w tym kanale emisji przekraczającej próg bez rozróżnienia czy jest to sygnał użytkownika priorytetowego czy interferencja. Stąd w drugiej fazie stosując detektor cech dystynktywnych sygnału następuje identyfikacja sygnału dzięki czemu istotnemu zmniejszeniu ulega prawdopodobieństwo fałszywego alarmu. W charakterze detektora cech dystynktywnych stosować można filtr dopasowany, detektor cech cyklostacjonarnych, detektor wykorzystujący wartości własne macierzy kowariancji (ang. eigenvalue-based sensing), detektor falkowy (ang. wavelet-based sensing) lub detektor kowariancyjny (ang. covariance-based sensing). Aktualnie autorzy referatu prowadzą prace nad symulacyjnymi badaniami dwóch metod hybrydowych łączących: detekcję energii z metodą bazującą na macierzy kowariancji odbieranego sygnału (ang. Covariance Absolut Value CAV); detekcję energii z detekcją cech cyklostacjonarnych opartą na funkcji autokorelacji cyklicznej (ang. Cyclic Autocorrelation Function CAF) [14], [15]. 5.ZAKOŃCZENIE W referacie scharakteryzowano ideę dynamicznego dostępu do widma jako metodę pozwalającą na efektywniejsze zarządzanie i użytkowanie zasobów częstotliwościowych. Omówiono główne zadanie, które musi wykonywać radio kognitywne, tj. sensing. Przedstawiono również technikę sensingu hybrydowego, którego zadaniem jest wypracowanie decyzji o obecności lub braku emisji użytkownika priorytetowego w oparciu o łączone metody detekcji energii wspomaganej przez detektory dystynktywnych cech sygnałów, takich jak filtr dopasowany bądź detektor cyklostacjonarnych cech poszukiwanych sygnałów. LITERATURA (styl Literatura) [1]S. Haykin, D. J. Thomson and J. H. Reed: Spectrum sensing for cognitive radio, Proc. IEEE, vol. 97, no. 5, pp

8 [2]A. Sahai, D. Cabric: Spectrum sensing: fundamental limits and practical challenges, in Proc. IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks (DySPAN), (Baltimore, MD), Nov [3]T. Yucek, H. Arslan: A survey of spectrum sensing algorithms for cognitive radio applications, IEEE Journal of Communications Surveys and Tutorials, 11(1), 2009, [4]Y. Zeng i in.: Edge based wideband sensing for cognitive radio: algorithm and performance evolution, IEEE DYSPAN Symposium, 2011 [5]H. Bogucka: Technologie Radia Kognitywnego, PWN, Warszawa, 2013 [6]S. Badrinath, Y.U. Reddy: A hybrid energy detection approach to spectrum sensing, First UK- India International Workshop on Cognitive Wireless Systems (UKIWCWS), New Delhi, India 2009 [7]S. Kapoor, G. Singh: Non-cooperative spectrum sensing : A hybrid model Approach, 2011 International Conference on Device and Communications (ICDeCom), Mesra, India, 2011 [8]K. Harresh, P. Singh: An energy efficient hybryd cooperative spectrum sensing technique for CRSN, 2013 International Multi-Conference on Automation, Computing, Communication Control and Compressed Sensing, Indie 2013 [9]KazusuhiMuraoka: A novel spectrum sensing method based on maximum cyclic autocorrelation selection for cognitive radio systems, IEEE DYSPAN Symposium, 2008 [10]J. N. Laska i in.: Compressive sensing for dynamic spectrum access networks: Techniques and tradeoffs, IEEE DYSPAN Symposium, 2011 [11]E. J. Candes, M.B. Wakin: An intriduction to compressive sampling, IEEE Signal Processing Magazine, vol. 21, no 3, 2008 [12]Y. L. Polo i in.: Compressive wideband spectrum sensing, IEEE ICASSP, Taiwan, April 2009 [13]P. Gajewski, J. Łopatka, M. Suchański: Sieci kognitywne MANET, Przegląd Telekomunikacyjny - Wiadomości Telekomunikacyjne, 2014, nr 6 + CD, s [14]K. Kosmowski, M. Suchański, J. Pawelec, M. Kustra: A novel OFDM sensing method based on CAF-max for hybrid detectors architecture, 2016 International Conference on Military Communications and Information Systems (ICMCIS), Maj 2016, [15]M. Kustra, K. Kosmowski, M. Suchański, J. Pawelec: Hybrydowe metody sensingu widma ze szczególnym uwzględnieniem technik korelacji cyklicznej, Przegląd Telekomunikacyjny - Wiadomości Telekomunikacyjne, 2016, nr 8 + CD 8