يتم توفير نظام اتصال لاسلكي وأجهزة اتصال لاسلكية مكونة لتنفيذ نهج راديو معرفي موزع لتقاسم الطيف حيث بموجب النهج الموزع، تقوم أجهزة الاتصالات اللاسلكية الفردية بفرض اتفاقيات التفاوض بشأن استخدام الطيف المتاح دون تدخل من سلطة مركزية.

 

الراديو المعرفي لتقنية المدخلات والمخرجات المتعددة

 

يتم تكوين أجهزة الاتصالات اللاسلكية الفردية لتحسين معدلات المعلومات لعمليات الإرسال الخاصة بها في ظل قيود محددة مسبقًا، كما يمكن أن تشمل القيود المحددة مسبقًا قيود قدرة الإرسال على سبيل المثال الطاقة القصوى المتاحة لأجهزة الاتصال اللاسلكي، أو قيود التداخل وعلى سبيل المثال القيود المفروضة على مقدار التداخل أو الاتجاه أو جودة التداخل الناتج عن عمليات الإرسال.

 

أدى الطلب المتزايد على الخدمات اللاسلكية إلى جعل الطيف الراديوي موردًا نادرًا، وإن بعض الشبكات اللاسلكية التي تتميز بسياسات تخصيص الطيف الثابت غير فعالة، ويرجع ذلك جزئيًا إلى الطلب المتفاوت على عرض النطاق الترددي المرخص من حيث أبعاد الوقت أو المكان.

 

برز الراديو المعرفي كحل عملي للاستخدام غير الفعال للطيف، حيث تمنح تقنيات الراديو المعرفي العقد اللاسلكية بقدرات معرفية مثل القدرة على استشعار البيئة الكهرومغناطيسية، وعمل تنبؤات قصيرة المدى والتفاعل عن طريق تكييف معلمات الإرسال، مثل طيف التشغيل والتشكيل وقوة الإرسال لتحسين استخدام الموارد المتاحة.

 

العلاقة بين الراديو المعرفي وتقاسم الطيف

 

تتضمن التطبيقات الراديوية المعرفية النموذجية لتقاسم الطيف هيكل وصول هرمي يميز بين المستخدمين الأساسيين وعلى سبيل المثال مستخدمو الطيف المرخص لهم أو أصحاب الطيف القديم، والمستخدمين الثانويين كالمستخدمون الذين يصلون إلى الطيف المرخص ديناميكيًا دون إحداث جودة خدمة (QoS) تتدهور للمستخدمين الأساسيين.

 

كما تتضمن مثل هذه السيناريوهات اتصالات متزامنة للمستخدمين الإدراكيين ويتنافسون على الموارد المادية التي يوفرها المستخدمون الأساسيون، ومن منظور معالجة الإشارات يرسل المستخدمون الثانويون عبر مساحة متعددة الأبعاد، مع إحداثيات تمثل فترات زمنية أو صناديق تردد أو زوايا بهدف تحديد استراتيجية إرسال تستكشف درجات الحرية المتاحة، مع عدم إحداث أي تداخل أو تداخل محدود على المستخدمين الأساسيين.

 

نظرًا للطبيعة التنافسية المتأصلة لأنظمة الاتصالات اللاسلكية متعددة المستخدمين، يمكن تطبيق مفاهيم نظرية المعالجة سيناريوهات تخصيص الموارد بطريقة موزعة، وكما ركزت التطبيقات المبكرة على أنظمة (DSL)، حيث يقوم المستخدمون بتعظيم معدلات المعلومات ذات الصلة فيما يتعلق بتخصيص القدرة في نظام (DSL) على غرار قناة تداخل غاوسي انتقائية التردد.

 

يمكن توسيع هذا البناء الأساسي ليشمل شبكات انتقائية التردد الانتقائية ومتعددة المدخلات والمخرجات المتعددة (MIMO)، ومع ذلك لا تنطبق التطبيقات المبكرة للنظرية على الاتصالات على أنظمة الراديو الإدراكية بسبب عدم وجود آلية للتحكم في مقدار التداخل الناتج عن المستخدمين الثانويين، كالمستخدمون الذين يستخدمون عرض النطاق الترددي والموارد الأخرى المخصصة للمستخدمين الأساسيين أو القدامى.

 

ملاحظة: “MIMO” هي اختصار لـ “Multiple Input Multiple Output”.

ملاحظة: “DSL” هي اختصار لـ “Digital Subscriber Line”.

ملاحظة: “QoS” هي اختصار لـ “Quality of Service”.

 

مبدأ عمل الراديو المعرفي لتقنية المدخلات والمخرجات المتعددة

 

يتم توفير آليات لامركزية والتي تنطبق على أجهزة الإرسال والاستقبال المعرفية (MIMO)، وبالإضافة إلى ذلك يتم توفير تصميم موزع لأجهزة إرسال واستقبال (MIMO) الإدراكية في شبكة راديو معرفية، تتكون من العديد من المستخدمين الأساسيين والثانويين، حيث يعمل المستخدمون الثانويون للحفاظ على جودة الخدمة للمستخدمين الأساسيين.

 

على وجه الخصوص من منظور نظرية المعلومات يمكن تصميم تخصيص الموارد بين المستخدمين الثانويين على أنّه استراتيجية غير تعاونية مستمدة من مفاهيم النظرية، ولزيادة معدلات المعلومات إلى أقصى حد عبر قنوات (MIMO) المعنية، يمكن إدخال قيود التداخل كقيود فارغة أو تشكيل ناعم على مصفوفات تغاير الإرسال للمستخدمين الثانويين.

 

يمكن فرض قيود خالية لمنع المستخدمين الثانويين من الإرسال عبر مساحات فرعية محددة تحدد كأجزاء من الطيف والاتجاهات الزاويّة المكانية، حيث لا تولد عمليات الإرسال تداخلًا وفي نطاقات تردد أو مواقع جغرافية محددة يتجاوز حدود درجة الحرارة والتداخل.

 

الإرسال في الراديو المعرفي لتقنية المدخلات والمخرجات المتعددة

 

تمكّن التقنية الموزعة والتي يتم استخدامها من قبل مستخدمين ثانويين والنظام من الالتقاء إلى توازن يُعرف باسم “توازن ناش”، حيث لا يرغب المستخدمون الفرديون في الانحراف من جانب واحد عن استراتيجية إرسال محددة، حيث يؤدي هذا التغيير إلى انخفاض في الأداء، وفي ظل التقنية الموزعة تستخدم أجهزة الإرسال والاستقبال (MIMO) المعرفية بشكل مستقل، ولكن بالتوازي آليات لاستشعار الظروف داخل بيئة الاتصال اللاسلكي.

 

وبناءً على الظروف المستشعرة حدد استراتيجية الإرسال كمصفوفة تغاير الإرسال ضمن ترميز قيودًا مختلفة ويتم تكوين النظام الفرعي لجهاز الإرسال بشكل أكبر لتطبيق استراتيجية الإرسال، والتي تم إنشاؤها بواسطة وحدة الإرسال التكيفية لتوليد الإشارة من معلومات الإخراج.

 

وعلاوةً على ذلك يمكن أن تشتمل وحدة الإرسال التكييفية على وحدة استشعار البيئة التي تم تكوينها لتحديد مستوى التداخل، والذي يلاحظه جهاز الاتصال اللاسلكي ولتقدير القنوات التي يتم من خلالها استقبال الإشارات أو إرسالها بواسطة جهاز الاتصال اللاسلكي، وهي وحدة كشف عقدة تم تكوينها لوجود العقد اللاسلكية الأساسية داخل بيئة الاتصالات اللاسلكية.

 

التداخل في الراديو المعرفي لتقنية المدخلات والمخرجات المتعددة

 

يتم تكوين وحدة تحديد القيد لإنشاء مجموعة من القيود بناءً على مستوى التداخل ووجود العقد اللاسلكية الأساسية، ووحدة إنشاء مصفوفة تم تكوينها لإنشاء مصفوفة تغاير الإرسال التي تحدد استراتيجية الإرسال ويمكن أن تشتمل وحدة الإرسال التكيفية أيضًا على محرك راديو معرفي تم تكوينه لتوجيه وحدة استشعار البيئة.

 

وكذلك وحدة الكشف عن العقدة ووحدة تحديد القيد ووحدة إنشاء المصفوفة وفقًا لخوارزمية الاستجابة الموزعة لصياغة اللعبة الاستراتيجية غير المتعاونة، حيث يتم تكوين محرك الراديو المعرفي بشكل أكبر للتكرار من خلال مجموعة من التكرارات حتى يتم استيفاء معيار التقارب، حيث يتم تكوين محرك الحصص المعرفية وفي التكرار المعني؛ لتوجيه وحدة استشعار البيئة لتحديث معلومات البيئة وإرشاد إنشاء المصفوفة وحدة لتوليد مصفوفة تغاير الإرسال.

 

في عملية بث معلومات التردد للاتصالات الراديوية المعرفية (CR) يشتمل جهاز بث معلومات سياسة التردد على وحدة توليد الحزمة التي تنشئ حزمة بث سياسة، بما في ذلك معلومات سياسة التردد حسب المنطقة ووحدة البث التي تبث حزمة بث السياسة المتولدة، وحيث يتم توفير الجهاز لإجراء بث لمعلومات سياسة التردد للاتصالات الراديوية المعرفية.

 

ملاحظة: “CR” هي اختصار لـ “Cognitive Radio”.

 

في النهاية، إنّ الراديو المعرفي هو مفهوم تم تقديمه لحل مشكلة الطيف القادمة، وهو شكل من أشكال الاتصال اللاسلكي، حيث يمكن لجهاز الإرسال والاستقبال أن يكتشف بذكاء قنوات الاتصال والتي لا يتم استخدامها.