Когнитивные сверхширокополосные радиосистемы как метод повышение эффективности использования радиочастотного спектра

КОГНИТИВНЫЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЕ РАДИОСИСТЕМЫ КАК МЕТОД ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАДИОЧАСТОТНОГО СПЕКТРА

Косичкина Татьяна Павловна, Сперанский Валентин Сергеевич, Спирин Александр Павлович, Фролов Алексей Андреевич,

Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия, rit@mtuci.ru

Ключевые слова: когнитивное радио, сверхширокополосные системы, совместное использование спектра, импульсные системы, многочастотные системы.

В настоящее время популярной идеей развития систем связи на основе вторичного использования спектра является когнитивное радио. Применительно к сверхширокополосным когнитивным системам под этим термином понимают их способность занимать не используемые участки спектра, распределенные между первичными пользователями. В зависимости от применяемых сверхширокополосных технологий, это распределение возможно выполнить различными методами. В частности, для импульсных систем основным методом, обеспечивающими когнитивность, является формирование формы импульса с целью вписать его спектральную плотность мощности в свободные диапазоны частот. Для многочастотных сверхширокополосных систем когнитивность обеспечивается либо перестройкой частоты либо технологией ортогонального мультиплексирования с частотным разделением. Произведен обзор существующих методов формирования и обработки сверхширокополосных сигналов и рассмотрены проблемы, возникающие при их использовании. Проведенный анализ работ в этой области показал, что эффективность работы когнитивных радиосистем, в том числе сверхширокополосных, принято оценивать с помощью зависимости максимальной спектральной эффективности от отношения сигнал-шум или от вероятности ошибки на бит. Предлагается также оценивать абсолютный прирост спектральной эффективности при использовании сверхширокополосными системами уже занятых частотных полос. Приведены основные показатели таких систем: скорость передачи, дальность действия, помехоустойчивость.

Рассмотренные особенности СШП технологии удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к системам когнитивного радио. К ним относятся: незначительная интерференция, возможность динамического управления спектром, возможности мониторинга спектра, множественного доступа и безопасности. Для уменьшения влияния помех от СШП систем, используемых в когнитивном радио, используются два основных метода: формирование специальной формы импульса и конструирование антенны, в которой предусмотрена адаптивная режекция определенных частотных полос. Указанные системы позволяют достичь увеличения общей спектральной эффективности при совместном использовании спектра частот.

Для цитирования:

Косичкина Т.П., Сперанский В.С., Спирин А.П., Фролов А.А. Когнитивные сверхширокополосные радиосистемы как метод повышение эффективности использования радиочастотного спектра // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Том 9. - №12. -С. 37-43.

For citation:

Kosichkina T.P., Speransky V.S., Spirin A.P., Frolov A.A. Cognitive uwb radio systems as a method of improving the efficiency of radio spectrum use. T-Comm. 2015. Vol 9. No.12, рр. 37-43. (in Russian).

Обзор методов повышения эффективности использования радиочастотного спектра.

Радиочастотный спектр (РЧС), как природный ресурс, был открыт при изобретении радио и стал широко использоваться с 20-х годов XX в. С тех пор непрерывный и быстрый рост технических средств, излучающих радиочастоты определяет востребованность РЧС. Социальное, экономическое и научно-техническое значение РЧС настолько велико, что современное общество нельзя представить без этого ресурса. Параметры, характеризующие природные особенности РЧС (частота, пространство, время) определяют также и объективно существующую его ограниченность.

В связи с этим встает вопрос о необходимости управления использованием радиочастотного спектра. Существует несколько методов управления РЧС. Особенности и различия этих методов заключаются в процессе распределения полномочий и функций регулирования между правительственными и гражданскими секторами [1]. Среди методов управления РЧС можно выделить две основные группы: административные методы и технические решения и средства [2]. Выделение радиочастотного ресурса, нейтрального к конкретной технологии является одним из множества технических решений.

Под радиочастотным ресурсом, нейтральным к конкретной технологии, подразумевается выделение нелицензируемых диапазонов частот. Использование нелицензируемых диапазонов имеет ряд преимуществ: не нужно тратить время и деньги на получение лицензии; хорошо развит рынок продукции, работающей в данном диапазоне; низкая стоимость ввода систем в эксплуатацию. Основным недостатком являются помехи, появляющиеся вследствие работы нескольких устройств на одной частоте (данный недостаток заложен в самой идее использования нелицензируемых частот). К нелицензируемой части РЧС относятся диапазоны частот 2,4 ГГц и 5 ГГц, а также некоторые другие диапазоны, в которых могут работать беспроводные системы передачи данных. К числу таких систем относятся системы семейств стандартов IEEE 802.11 и IEEE 802.15, в том числе перспективные сверхширокополосные (СШП) системы беспроводной передачи данных (стандарт IEEE 802.15.3а).

Использование РЧС по принципу технологической нейтральности требует определения некоторого общего критерия по электромагнитной совместимости. В 2004 г. в рамках рабочей группы по политике использования РЧС при Европейской комиссии началась разработка концепции развития услуг радиосвязи WAPECS (Wireless Access Policy for Electronic Communications Services -политика беспроводного доступа для электронных средств связи). Концепция WAPECS осуществляет мировую тенденцию повышения эффективности использования РЧС, направленную на унификацию методов управления использованием РЧС [3]. Однако внедрение этой технологии может повлечь за собой

всеобщую реорганизацию и модернизацию сетей связи, а также привести к тому, что многие эффективные технологии, применяемые в настоящее время, останутся без выделенных частот.

Еще одним техническим решением, позволяющим более полно задействовать частотный ресурс, является совместное использование спектра (spectrum shering). Известно несколько различных типов совместного использования спектра [5]. В рамках географического шеринга возможности радиопередачи одного пользователя лимитированы заданными границами зоны обслуживания. При временном шеринге одну и ту же полосу спектра в одной и той же географической области могут занимать несколько пользователей, но в разное время. В России этот способ повышения спектральной эффективности не распространен, но в Европе и США применяется активно. Частотный шеринг применяется для возможности работать в одних и тех же полосах частот. Наиболее современный метод распределения частот на основе динамического доступа к спектру как раз и задействует асе преимущества инновационных методов, включая динамическую регулировку мощности и подавление помех.

На рис.1 приведена классификация радиосистем по способам динамического управления спектром [6],

8 динамической модели с ограниченным доступом, как и в текущей политике регулирования спектра, на частотные полосы по-прежнему выдается лицензия для эксклюзивного использования, но для улучшения эффективности спользования спектра вводится дополнительная степень свободы, В рамках этой модели были предложены два подхода: право собственности на спектр и динамическое распределение спектра. Первый подход позволяет держателям лицензии перепродавать свою часть спектра и выбирать для передачи в ней любую технологию. Во втором подходе конечной целью является улучшение эффективности использования спектра с помощью динамического назначения частот, используя пространственную и временную статистики трафика для различных услуг.

Динамическое управление спектром

Модель с ограниченным доступом

-!-! -У-1 —J-» 1

Право Динамическое Передача под Перекрытие

собственности распределение шумами диапазонов

на спектр ii спектра

Открытая модель обмена (open sharing) использует s качестве основы для управления открытый обмен между одноранговыми пользователями.

Третьей моделью является иерархическая структура доступа с первичными и вторичными пользователями. Здесь спектр, лицензированный для первичных пользователей, открыт для вторичных пользователей на условиях ограничения помех, воспринимаемых первичными пользователями.

В модели иерархического доступа существует два подхода к совместному использованию спектра первичными и вторичными пользователями: передача на вторичной основе, или некоординируемый шеринг (underlay), и режим переемежения, или координируемый шеринг (overlay).

При первом подходе вторичные пользователи должны работать ниже уровня шумов первичных пользователей, таким образом, на их передаваемые мощности накладываются жесткие ограничения. Одним из способов достижения этой цели является распределение мощности передаваемых сигналов вторичных пользователей по широкой полосе частот. Этот подход, по сути, не является технологией когнитивного радио, так как не содержит в своей основе поиска и обнаружения незанятых частотных полос. Однако, как будет показано далее, его принципы могут служить основой для гибридной технологии СШП и когнитивного радио.

Режим перемежения (также называемый OSA -opportunistic spectrum access, или рациональный доступ к спектру) также накладывает ограничения, но не на передаваемые мощности, а на частоту и время, при которых могут передавать вторичные пользователи. При этом подходе вторичные пользователи не оказывают влияния на пользователей с более высоким приоритетом, что достигается при помощи технологий мониторинга спектра и адаптивного выделения частот -выявляются и используются только не занятые (в пространстве и во времени) участки спектра [б].

В настоящее время идея максимально полного использования радиочастотного спектра получила развитие в направлении, называемом «когнитивное радио». Основная идея когнитивного радио (КР) в том, чтобы обеспечить альтернативный доступ к временно и/или географически не используемым лицензированным частотным полосам, избегая конфликтов с законными владельцами лицензий в этих полосах, называемыми первичными пользователями. Для достижения этого требуются новые алгоритмы управления помеховой обстановкой, которые должны ограничить интерференцию для первичных пользователей.

Система КР должна выполнять следующие функции: проводить мониторинг спектра и обнаруживать частотные полосы, не используемые в настоящий момент времени; анализировать параметры радиоканала и прогнозировать его состояние; управлять уровнем излучаемой мощности и процессом динамического доступа к спектру.

Отличительной особенностью когнитивных радио-

систем является то, что один из двух элементов системы - передатчик или приемник - изменяет свои параметры с целью повышения эффективности соединения и во избежание взаимных помех первичных и вторичных пользователей. Когнитивные радиосистемы способны принимать и передавать сигнал на адаптивно изменяемых радиочастотах, а также изменять вид модуляции, способ кодирования и другие параметры, обеспечивающие требуемое качество связи. Ключевым аспектом любой схемы управления интерференцией является мониторинг спектра, который позволяет выявлять и отслеживать первичных пользователей. Исследования в области КР лежат на стыке радиотехники и искусственного интеллекта.

Когнитивное радио может привести к унифицированию всех беспроводных устройств, за счет этого постепенно упростится взаимодействие пользователя со все более сложными техническими средствами.

8 настоящее время на основе этой технологии активно строятся системы широкополосного радиодоступа в диапазоне 50.,.960 МГц, а также разработано предложение по модернизации российской сети GSM. Последняя строится на основе принципов вторичного использования РЧС, т.е. приоритет использования частотного диапазона принадлежит разрешенным системам связи, использующим тот же диапазон частот, что и система КР. Увеличение эффективности использования РЧС достигается за счет систем, использующих принципы совместного использования РЧС.

Сверхширокополосные радиосистемы.

Сверхширокополосные (СШП) системы связи определяются как системы малого радиуса действия, работающие в диапазоне 2,85 - 10,6 ГГц. Основной особенностью таких систем является использование для передачи и приема данных радиоканала шириной не менее 500 МГц.

Основной причиной пристального внимания к СШП сигналам и системам стала идея повторного использования радиочастотного диапазона. К преимуществам систем, использующих СШП сигналы, следует отнести также потенциально высокую скорость передачи информации. Несмотря на значительный рост научных исследований в этом направлении, широкое распространение такие системы не получили. Основная причина, по которой этого не произошло, - небольшая дальность действия таких систем. Ограничение на радиоизлучение позволило создать системы передачи данных на расстояние до 1 м. К тому же помехи от узкополосных систем, работающих в том же частотном диапазоне, привели к снижению заявленной скорости передачи.

Несмотря на указанные недостатки, сверхширокополосные системы могут найти свое применение в таких популярных на сегодняшний день приложениях как сенсорные сети, телемедицина (носимые биометрические системы), передача информации в малокадровом телевидении, а также в приложениях будущего, таких

как «интернет вещей», «интеллектуальные здания» [6].

В сверхширокополосных радиосистемах применяются сигналы двух видов: импульсные и многочастотные [4]. Импульсные сигналы представляют собой модулированные по тому или иному параметру последовательности двухполярных импульсов, длительность которых составляет несколько наносекунд. Системы на основе использования импульсных сигналов получили большее распространение за счет развития элементной базы и технологий, позволяющих генерировать, передавать, принимать и обрабатывать сверхкороткие импульсы.

Многочастотные СШП сигналы представляют собой сумму нескольких составляющих (поднесущих), каждая из которых является относительно узкополосным сигналом. Принципы сверхширокополосной многочастотной передачи подразумевают совместную обработку всех поднесущих. Как правило, принципы действия и техническая реализация СШП многочастотных систем мало отличается от аналогичных узкополосных, например технологии ортогонального мультиплексирования с частотным разделением каналов (OFDM).

В настоящее время, технология сверхширокополосной передачи обеспечивает прекрасные возможности для широкополосной беспроводной связи, неплохо вписываясь в концепцию KP, поскольку полоса частот для СШП систем уже зафиксирована в нормативных и лицензирующих органах. Сегодня возможности спектра неэффективно используются во времени и пространстве, особенно на частотах более 2 ГГц. Это приводит к появлению «белых пятен», то есть фиксированных частот, которые не используются в данный момент, но которые, однако, могли быть доступны для нелицензируемых пользователей.

Из-за большого диапазона частот, СШП устройства вторичных пользователей могут создавать помехи другим устройствам инфокоммуникационных технологий или услуг, например UMTS, GPS, WiMAX, спутниковому ТВ. Однако KP использует два подхода, которые обеспечивают сосуществование всех этих коммуникационных технологий и услуг - динамическое управление спектром и детектирование и предупреждение столкновений.

Когнитивность сверхширокополосных

радиосистем,

Согласно приведенной выше классификации (рис.1), сверхширокополосные радиосистемы можно отнести к когнитивным системам, использующим модель иерархического доступа для динамического управления спектром.

Обычно когнитивность сверхширокополосных систем ассоциируется со способностью таких систем работать на вторичной основе во всем диапазоне частот, т.н. работа «под шумами» (underlay). Однако СШП технологии позволяют работать в режиме перемежения (overlay). Оба этих режима проиллюстрированы на

рис. 2 [6], разница между ними заключается в величине передаваемой мощности. В первом режиме СШП система излучает ограниченное количество мощности, которая распределяется в широком диапазоне частот. В этом случае следует принимать во внимание взаимное влияние СШП систем и систем, сосуществующих с ними в одном частотном диапазоне. В режиме перемежения передаваемая мощность может быть значительно выше, она может быть увеличена до уровня, который можно сравнить с мощностью лицензированных систем.

Возможность применения режима перемежения определяется двумя условиями: гарантия того, что спектр является полностью свободным от сигналов других систем, и пересмотр регулирующих правил для возможности осуществления этого режима.

Возможен также комбинированный режим работы, при этом осуществляется специальное формирование передаваемого сигнала. Форма сигнала формируется таким образом, чтобы в части спектра, занятой другими пользователями, он находился «под шумами», а в относительно свободной части его мощность была достаточно велика [8]. Существует несколько способов формирования СШП импульса, которые будут рассмотрены ниже.

if к о

(О т

I щ

£ 2

о.

1 1

Первичные пользователи

Передача под шумами

Спектральная маска

/

1

Первичные пользователи

Частота

Перекрытие диапазонов

Частота

Рис. 2. Два возможных режима работы СШП систем

Очевидно, что в любом из этих режимов работы, СШП системы вызывают лишь незначительное помехи для других систем связи. Эта особенность СШП систем делает их привлекательными для использования в тех-

У

нологии когнитивного радио.

К примеру, системы КР должны иметь высокую гибкость относительно участка спектра, который они занимают, так как частоты, которые будут использоваться для когнитивной связи, могут изменяться после каждой периодической проверки (мониторинга) спектра. Следует отметить, что такая гибкость заложена в самой природе СШП технологии. Например, в импульсных СШП системах занимаемая полоса частот может быть непосредственно изменена путем изменения продолжительности или формы передаваемых импульсов. С другой стороны, в многочастотных СШП системах формирование спектра может быть легко осуществлено путем включения или выключения некоторых поднесу-щих в соответствии с занятостью спектра.

Система КР должна уметь изменять скорость передачи данных в соответствии с доступной пропускной способностью, которая, в свою очередь, изменяется в зависимости от использования полос лицензируемыми системами. Также в такой системе должно быть предусмотрено, что передача сообщения в какой-то момент времени не может быть продолжена из-за того, что ограничена доступная полоса пропускания.

Системы, использующие СШП технологии способны резко изменять скорость передачи в зависимости от пропускной способности. Например, импульсные системы могут уменьшать скорость передачи за счет перехода на другую, более широкую форму импульса, и наоборот, увеличивать скорость, когда доступна более широкая полоса частот. В многочастотных СШП системах корректировка занимаемой полосы частот может быть произведена еще проще: поднесущие, которые совпадают с вновь занимаемыми частотными полосами, выключаются. Таким образом скорость передачи данных уменьшается. Когда частотные полосы вновь освобождаются, используется большее количество подне-сущих и скорость передачи данных увеличивается.

Кроме того, возможно переключение между двумя режимами, когда становится невозможным продолжить работу в режиме перемежения, СШП система может переключиться в режим работы «под шумами». Таким образом, СШП технология в любом случае позволяет поддерживать соединение если количество ресурсов для передачи сильно сокращается, все еще возможно использовать доступный спектр на вторичной основе [б].

Кроме того, высокая скрытность, универсальность и простота реализации СШП систем делают их потенциальными кандидатами для применения в сетях когнитивного радио.

Методы, обеспечивающие когнитивность

СШП систем

Рассмотрим методы, позволяющие достичь высокой степени адаптации СШП систем к изменяющимся условиям передачи [10]. Задача синтеза импульса специальной формы возникла из задачи обеспечения ЭМС СШП и узкополосных сигналов исходя из заданных норм на излучение. Идея проста: по заданной маске

спектра производится синтез импульса с параметрами, удовлетворяющими заданным нормам на излучение.

Несмотря на то, что изначально считалось, что СШП сигналы не создают помех в заданном частотном диапазоне, так как работают ниже уровня шумов, все же высказывались опасения об их негативном влиянии на системы навигации, радиоастрономии и другие системы, где помехи даже с малым уровнем нежелательны. Очевидно, что широко применяемый в первых СШП системах гауссовский моноцикл не всегда хорошо вписывался в маску спектра. Тогда было предложено максимально подавлять или даже вырезать те участки спектра СШП сигнала, где работают данные системы. Для преодоления вышеназванной проблемы было найдено несколько решений, которые впоследствии были развиты в сторону адаптации спектрального состава импульса к меняющейся помеховой обстановке.

К примеру, импульс в виде гауссовского моноцикла можно предварительно отфильтровать с помощью цифрового фильтра с конечной импульсной характеристикой. Пример спектра синтезированного импульса приведён на рис. 3. Преимуществом данного метода можно считать также то, что с помощью него можно синтезировать ортогональные импульсы, обладающие хорошими авто и взаимокорреляционными свойствами.

6 а

Частота. Г Гц

Рис. 3. Спектр импульса, синтезированного с помощью последовательного алгоритма (БЕСЗ), рассмотренного в [9]

Адаптивный метод формирования импульса основан на итеративном алгоритме, в котором используется линейная комбинация производных гауссовского импульса. Алгоритм выполняется до тех пор, пока не будет найдена удовлетворительная аппроксимация заданной спектральной плотности мощности.

Еще одним методом формирования СШП импульса являются методы, основанные на применении негауссовой формы импульса, а именно модифицированных эрмитовых импульсов, модифицированных импульсов формы «приподнятый косинус», ортогональных полиномиальных импульсов.

Известны алгоритмы, основанные на применении нейросетевых методов, вейвлет-функций и вейвлет-преобразований.

Т-Сотт Уо!.9. #12-2015

7Т\

У

Среди разнообразных форм импульсов следует отметить применение импульсов с линейной частотной модуляцией, позволяющих получить наиболее равномерный спектр в заданной полосе частот.

Авторами данной статьи также проводились исследования в данной области. В частности, предложено было формировать передаваемый импульс с помощью линейной комбинации гармонических импульсов с гаус-совской огибающей:

5

Основные выводы, которые были сделаны в результате этих исследований:

• более жесткие требования к форме спектра приводят к длительному «звону» (появлению хвостов импульса);

• очень важна синхронность суммирования - абсолютная нестабильность даже одного генератора, равная 0.05 не и выше приводит к значительному изменению формы импульса и желаемого спектра;

• получаемый в результате суммирования импульс имеет высокий пик-фактор.

Несмотря на разнообразие методов и активность исследований в этой области следует отметить еще один существенный недостаток, возникающий при применении методов синтеза формы импульсов - все они не учитывают последствия прохождения синтезированных импульсов через антенный тракт и среду передачи. При этом возможны такие искажения, которые сведут на нет все преимущества адаптации формы импульса. Поэтому следующим шагом в разработке когнитивных СШП систем явилось создание антенн, с реконфигури-руемыми полосами подавления [б]. Применение таких антенн возможно в обоих режимах: и на вторичной основе и в режиме перемежения, однако во втором режиме работа такой антенны является более устойчивой.

Антенны, предназначенные для когнитивных СШП устройств, работающих с использованием подхода ОБА, как правило, двухвходовые. В них один вход используется для мониторинга, а другой - для связи. Примеры таких антенн приведены в [б].

Перспективы использования когнитивных

СШП радиосистем.

В заключение следует ответить на главный вопрос -в чем состоит выигрыш при применении подобных систем, точнее, каковы их характеристики. Проведенный анализ работ 8 этой области показал, что эффективность работы когнитивных радиосистем, в том числе сверхширокополосных, принято оценивать с помощью зависимости максимальной спектральной эффективности от отношения сигнал-шум или от вероятности ошибки на бит. Предлагается также оценивать абсолютный прирост спектральной эффективности при использовании сверхширокополосными системами уже занятых частотных полос.

Важной характеристикой также является время зондирования спектра и размер окна - временной интер-

вал, в течение которого производится зондирование спектра. В ряде работ используется традиционная оценка энергетической эффективности таких систем с помощью зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал-шум. В таблице 1 приведены результаты сравнения сверхширокополосных систем когнитивного радио, использующих различные технологии (методы модуляции, способы передачи, частотный диапазон).

Несмотря на указанные преимущества сверхширокополосных систем в качестве элементов когнитивного радио, существует ряд проблем возникающих при их применении и требующих исследования и разработки:

• влияние интерференции первичных пользователей на СШП системы;

интерференция «когнитивных пользователей»;

• многопользовательская внутрисистемная интерференция;

увеличение скорости адаптации к изменяющимся условиям.

Характеристики сверхширокополосных систем

Метод модуляции, технология Дальность действия, м Скорость передачи, Мбит/с Диапазон частот, ГГц Спектральная эффективность, бит/с/Гц

2-АИМ импульсная 100 1 3.1-10.6 0.1

М-С2АМ МВ-ОРРМ много частотна я 1-10 54 - 480 3.1-10.6 ДО 1

М-С2АМ МВ-ОРРМ многочастотная 10 1000 57-64 1

4-Т5К 1-1000 10-1000 3.1-10.6 0.1-10

Таким образом особенности СШП технологии удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к системам когнитивного радио. К ним относятся: незначительная интерференция, возможность динамического управления спектром, возможности мониторинга спектра, множественного доступа и безопасности, Для уменьшения влияния помех от СШП систем, используемых а когнитивном радио, используются два основных метода: формирование специальной формы импульса и конструирование антенны, 8 которой предусмотрена адаптивная режекция определенных частотных полос. Указанные системы позволяют достичь увеличения общей спектральной эффективности при совместном использовании спектра частот.

Таблица 1

Литература

1. Володина Е.Е., Девяткин Е.Е. Экономические аспекты управления использованием радиочастотного спектра. - М.: Брис-М, 2011. - 196 с.

2. Фролов A.A. Применение сверхширокополосных систем для решения проблемы дефицита РЧС // Вестник связи. 2012. № 9. С. 12-16.

3. Бутенко В.В., Володина ЕЕ, Девяткин ЕЕ., Бессилии A.B., Суходольская Т.А. Концепция WAPECS как современное направление использования РЧС // Электросвязь. - 2008. - №9. С.2-6.

4. Косичкина Т.П., Сидорова Т.В., Сперанский B.C. Сверхширокополосные системы телекоммуникаций. - М.: Инсвязь-издат, 2008.

5. Волкова Ю.В. Spectrum sharing как зеркало телекома-XXI // ИКС. - 2015. - №3-4.

6. Mohammed Al-Husseini, Kar/m Y. Kabalan, Ali El-Hajjl and Christos G. Christodoulou Cognitive Radio: UWB Integration and

COMMUNICATIONS

Related Antenna Design/ New Trends in Technologies: Control, Management, Computational Intelligence and Network Systems. Edited by Meng Joo Er.Sciyo, 2010, pp 395-412.

7. Санников В.Г., Алёшинцев A.B. Многочастотный модем как один из основных элементов системы "интеллектуальное здание" при удаленном управлении объектами // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Том 9. - №6. -С. 21-27.

8. Ars/an Н., Sah/n М. UWB-Based Cognitive Radio Networks, In: Cognitive Wireless Communication Networks, Hossain, E. & Bhargava, V.K., (Ed.), 213-230, Springer US, ISBN 978-0-38768830-5, New York, 2007.

9. Wu X., Tian Z., Davidson T.N., Giannakis G.B. "Optimal Waveform Design for UWB Radios". IEEE Trans. On Signal Processing,vol. 54, pp. 2009-2021, June. 2006.

10. Сперанский B.C., Спирин А.П., Фролов A.A., Косичкина Т.П. Перспективы развития сверхширокополосных систем связи в направлении когнитивного радио // СИНХРОИНФО, 2015. С. 9-11.

COGNITIVE UWB RADIO SYSTEMS AS A METHOD OF IMPROVING THE EFFICIENCY OF RADIO SPECTRUM USE

Speransky V.S., Spirin A.P., Frolov A.A., Kosichkina T.P., Moscow Technical University of Radio and Communications,

Moscow, Russia, rit@mtuci.ru

Abstract

Currently, the popular idea of communication systems based on the re-use of the spectrum is a cognitive radio. With regard to the cognitive UWB system this term understand their ability to occupy the unused portions of the spectrum, distributed between the primary users. Depending on the technology used ultrawideband, it is possible to perform different allocation methods. In particular, for the main pulse systems by providing cognition is the formation waveform for the purpose of its write power spectral density in the frequency ranges available. For multi UWB cognition provided a frequency hopping technique or orthogonal frequency division multiplexing. Produced an overview of existing methods of forming and processing of ultra-wideband signals and the problems arising from their use. The analysis work in this area has shown that the effectiveness of cognitive radio systems, including ultrawideband, usually estimated by means of the maximum spectral efficiency of the signal to noise ratio or bit error probability. It is also proposed to assess the absolute increase spectral efficiency by using ultra-wideband systems already employed frequency polos.Privedeny key indicators such systems: transmission speed, range, noise immunity. The above article features of UWB technology meet the basic requirements of cognitive radio systems. These include: a small interference, the possibility of dynamic spectrum management, spectrum monitoring capabilities, multi-access and security. To reduce the effect of interference from UWB systems used in cognitive radio, there are two main methods: the formation of a special pulse shape and design of the antenna, which provides adaptive rejection of certain frequency bands. These systems allow you to achieve an increase in the overall spectral efficiency when sharing spectrum.

References

1. Volodin E.E., Deviatkin E.E. Economic aspects of spectrum management. Moscow: Briz-M, 2011. 196 p.

2. Frolov A.A. The use of ultra-wideband systems to address the deficit PSD / Herald of communication. 2012. No.9. Pp. 12-16.

3. Butenko V.V., Volodin E.E., Devyatkin E.E., Bessilin A.V., Sukhodolskaya T.A. WAPECS concept as a modern usage of RFS / Telecommunications. 2008. No.9. Pp.2-6.

4. Kosichkina T.P., Sidorova T.V., Speranski V.S. UWB systems of telecommunications. Moscow: Insvyazizdat 2008.

5. Volkov Y. Spectrum sharing as a mirror Telecom-XXI / ICS. 2015. No.3-4.

6. Mohammed Al-Husseini, Karim Y. Kabalan, Ali El-Hajj1 and Christos G. Christodoulou Cognitive Radio: UWB Integration and Related Antenna Design / New Trends in Technologies: Control, Management, Computational Intelligence and Network Systems. Edited by Meng Joo Er.Sciyo, 2010. Pp. 395-412.

7. Sannikov V.G., Al^Shintsev A.V. Multi-frequency modem as one of the key elements of the "intelligent building" with the remote control of objects / T-Comm. 2015. Volume 9. No.6. Pp. 21-27.

8. Arslan H., Sahin M. UWB-Based Cognitive Radio Networks, In: Cognitive Wireless Communication Networks, Hossain, E. & Bhargava, VK, (Ed.), 213-230, Springer US, ISBN 978-0-387 -68830-5, New York, 2007.

9. Wu X., Tian Z., Davidson T.N., Giannakis G.B. "Optimal Waveform Design for UWB Radios". IEEE Trans. On Signal Processing, vol. 54, pp. 2009-2021, June. 2006.

10. Speranski V.S., Spirin A.P., Frolov A.A., Kosichkina etc. Prospects for the development of ultra-wideband communication systems in the direction of cognitive radio. Proceedings of the scientific conference "System clock generation and processing of signals in info-communications" "SINHROINFO 2015". Pp 9-11.

г Г\