Kognitiivne raadio

Kognitiivne raadio on kohanemisvõimeline, intelligentne raadio, mis põhineb tarkvaralisel raadiol, kus tavaliselt riistvaraga teostatavad ülesanded viib läbi tarkvara.

Sellise süsteemi plussideks on kokkuhoid seadmete pealt, süsteemi kiire muudetavus ja võimalus töötada väga suures sagedusvahemikus ja väga erinevate modulatsioonitüüpidega.

Tarkvaralise raadio kasutamine on alles viimasel aastakümnetel suuremat kasutust leidnud, kuna varem ei olnud arvutite võimsus piisav. Vajadus kognitiivse raadio järele tekkis, kuna kõik raadiokanalid on ära jagatud ning litsentsimata kanaleid napib, aga nõudlus pidevalt kasvab. Et raadiosagedusi tõhusamalt ära kasutada, ongi välja mõeldud kognitiivne raadio, mis on mingis mõttes tehisintellekt. Tema tööpõhimõte seisneb selles, et ta kuulab eetrit ja otsib litsentsitud kanalite hulgast hetkel kasutuses mitteolevaid kanaleid ning vaba kanali tuvastamisel kasutab ta seda ajutiselt info ülekandeks, vältides interferentsi ja kommertssagedusi. Kui päriskasutaja tuleb eetrisse tagasi, peab ta uue kanali otsima. Kognitiivne on ta sellepärast, et ta on teadlik enda ümbrusest ning võimeline sellele ka reageerima. Esimene standard kognitiivse raadio ehitamiseks on olemas, mõeldud on ta kasutamiseks eelkõige piirkondades, kuhu Wi-Fi ei levi – näiteks maapiirkonnad.

Ajalugu

Tarkvaralise raadio juured pärinevad Euroopa ja USA kaitsevägede projektidest, kus üritati luua raadiosüsteem, mis oleks võimeline töötama väga suures sagedusvahemikus ja olema samas kiiresti võimeline sagedust vahetama. Tarkvaraline raadio on võimeline ühendama omavahel kiiresti varem erinevate sageduste ja modulatsiooniga töötavad asutused. Olukorras, kus kahe riigi üksused peavad koos töötama, võimaldab tarkvaraline raadio ennast kiiresti vastavalt vajadusele kohandada. Kuna tarkvaraline raadio on võimeline jälgima üheaegselt laia spektrivahemikku, ja vajadusel hüppama kiirelt ühelt sageduselt teisele, oli see sõjaväele ahvatlev kontseptsioon. Tarkvaralise raadio suudab lisaks laiale spektrivahemikule aru saada ka erinevatest modulatsioonidest. Nende vooruste abil on ta kergesti seadistatav uute sageduste ja modulatsioonide jaoks. Üks esimesi tarkvaralise raadio väljaarendatud projekte oli USA sõjaväe SpeakEasy. Termini "tarkvaraline raadio" võttis kasutusele Joseph Mitola III 1991. aastal, teda peetakse ka tarkvaralise raadio isaks.

Kognitiivse raadio kontseptsioon esitati esimest korda aastal 1998 Joseph Mitola III poolt Stockholmis. Esimene artikkel avaldati 1999. aastal Mitola ning Gerald Q. Maguire juuniori poolt. Nad kirjeldasid seda, kui seadet, mis suudab kohaneda välismõjudega. Nende nägemuses saab sellest isiklik kaasaskantav arvuti – olenevalt asukohast. suudab see leida vabu kanaleid ning selle kasutaja saab vajalikke infoülekandeid sooritada. Seda tüüpi kognitiivset raadiot nimetatakse täielikuks kognitiivseks raadioks ehk Mitola raadioks. Samas peetakse ebatõenäoliseks, et see järgmise 20 aasta jooksul valmis suudetakse ehitada.

Esimene telefonikõne kognitiivse raadioga tehti 2010. aastal Oulu Ülikoolis(Centre of Wireless Communications), kasutades kohalike teadlaste poolt väljatöötatud seadmeid – CWC kognitiivse raadio võrgustikku ja CRAMNET-i (Cognitive Radio Assisted Mobile Ad Hoc Network).

Kognitiivse raadio tüübid

Olenevalt ülekande ning vastuvõtu parameetritest saab eristada kahte liiki kognitiivset raadiot: 1)Täielik kognitiivne raadio(Mitola raadio), kasutab ülekandeks kõikvõimalikke vastuvõtja parameetreid, et sooritada maksimaalse kvaliteediga infoülekannet, sh töösagedust, lainekuju ja võimsust; 2)Spektri suhtes tundlik kognitiivne raadio, kus arvestatakse ainult raadiosagedusliku spektriga.

Rakendused

Kognitiivne raadio tunnetab enda ümbrust ja vahetab sagedusi ilma kasutaja sekkumiseta. Teoorias on sagedusspekter lõputu suurusega, praktikas aga piiratud. Nagu mainitud, on nõudluse kasvades tekkinud probleem, kuidas spektrit võimalikult efektiivselt ära kasutada. kognitiivne raadio tuvastab, kas mingi osa spektrist on vaba ning kasutab seda ilma, et häiriks teisi kasutajaid. Sellise süsteemi kasutuselevõtmine lihtsustab oluliselt andmete edastust erinevates valdkondades: 1. Litsentsitud kanalid: võimaldab kanalite haldajatel võrgu mahtu oluliselt suurendada ning vähendada kanalihäireid; 2. Maapiirkonnad: aitab kohalikel teenusepakkujatel paremini toime tulla, vähendades hinda ning spektri nappust; 3. Sõjaline rakendus:võimaldab kasutada mobiiltelefone, mida ei saa pealt kuulata ning mille kasutamine nõuab vähest rahalist kulu; 4. Mobiili teenusepakkujad omavad kontrolli oma andmeedastussüsteemide üle.

Tarkvaralise raadio plussid

1. Erinevaid modulatsioone on kerge uutele seadmetele kohandada. 2. Riistvara arenedes on vanu tehnoloogiaid kerge vanadelt seadmetelt lihtsalt uutele üle kopeerida. 3. Ühte ja sama signaali on võimeline saatma/vastu võtma erinevate tootjate erinevad seadmed. 4. Tarkvaraline raadio on võimeline töötama väga laia spektrivahemikuga. Piiriks on analoog-digitaalmuundurite, digitaal-analoogmuundurite ja arvutite võimekus. Üks tuntumaid liideseid USRP2 on võimeline kasutama 25-megahertsist sagedusvahemikku. 5. Tarkvaralise raadio muudatusi on kerge teha ja ta võimaldab kasutada rakendusi, milleks raudvaraline raadio pole võimeline. 6. Tarkvaraline raadio ei vaja pärast vajalike seadmete ostmist enam mingeid kulutusi. See võimaldab huvilisel katsetada väga erinevaid signaalitüüpe, ilma et peaks uute seadmete ostule raha raiskama või olemasolevate modifitseerimisega palju aega veeta. Kuna tarkvaralist raadiot on kerge muuta, on ta muutumas populaarseks raadioamatööride seas. 7. Raadio on võimeline salvestama laia spektrivahemikku hilisemaks töötluseks. 8. Võimalik kasutada passiivse radarina, mis kasutaks TV signaale. 9. Võimalus kergesti ühendada palju raadiovastuvõtjaid. 10. Paljud arvavad, et tarkvaraline raadio on telekommunikatsiooni tulevik, kus lõpuks tekib olukord, kus üks seade on valmis vastu võtma kõikvõimalikke raadiosignaale. Ülikoolid avavad magistriõppekavasid, kus õpetatakse tarkvaralist raadiot.

Tarkvaralise raadio miinused

1. Kuna tarkvaraline raadio nõuab kiireid ja kalleid seadmeid andmete digiteerimiseks ja analoogsignaaliks muutmisel, on ta kallis. 2. Kui tarkvaralist raadiot hakata uuendama interneti teel, tekib küberkuritegude oht. 3. Kuna digi-TV-d on võimalik tarkvaralise raadioga vaadata, on USA-s hakatud tegema lobitööd tarkvaraliste raadiote liideste müügi keelustamiseks.

Ülesehitus

Ideaalne raadiovastuvõtja on arvuti, mis on analoog-digitaalmuunduri abil ühendatud antenniga. Nõrgemate signaalide kuulamiseks oleks vaja neid eelnevalt võimendada, kuna digiteerimisel neid muidu ei märgataks. Ideaalne raadiosaatja oleks antenn, mis oleks DA-muunduri abil ühendatud arvutiga, vajalik oleks ka võimendi. Kumbki variant ei ole veel kõrgemate sageduste puhul kasutuses, kuna puuduvad piisavalt head muundurid, mis töötaksid piisavalt suure sageduse ja piisavalt suure täpsusega. AM-raadio madalamaid sagedusi on juba õnnestunud saateantenni läheduses kuulata. Uuemad tarkvaralised raadiovastuvõtjad kasutavad tavapärase raadiovastuvõtja esimesi komponente: ostsillaatorit, segustit ja sagedusfiltrit, et saavutada vahesagedusel olev analoogsignaal, mis seejärel digiteeritakse ja mille edasine töötlus toimub juba tarkvarapõhiselt. Kuna enamik analoog-digitaalmuundureid ei suuda digiteerida väga nõrku signaale, kasutatakse vahel ka nõrkade signaalidevõimendit enne signaali digiteerimist. Kui digiteerimiseks pole piisavalt võimsat seadet, peab alandama sagedust veelgi, misjärel on arvuti helikaart võimeline andmeid digiteerima. Kõige lihtsamal juhul koosneb tarkvaraline raadio antennist, analoog-digitaalmuundurist, digitaal-analoogmuundurist ja arvutist. Selline lahendus on aga suurte tehniliste raskuste ees. Nõrkade signaalide vastuvõtuks oleks veel vaja madalsignaalide võimendit ja tugevama signaali saatmiseks võimendit. Enamasti kasutatakse signaalide digiteerimiseks spetsiaalset liidest, kuid kui vastavat võimalust ei ole, on võimalik riistvara kasutades signaali sagedust veelgi allapoole tuua, misjärel on võimalik kasutada ka arvuti helikaarti.