CC BY
22[4] Wegner P. Vienna definition language // Computer Surveys. 1972. Vol. 4. No 1. PP. 5-63.
[5] Wijngaarden V.A., Mailloux B.J., Peck J.E., Koster C.H. Report on the algorithmic language Al-gol-68. Amsterdam: Mathematisch Centrum, 1969.
[6] Hoare C.A. An axiomatic basis for computer programming // Communications ACM. 1969. Vol. 12, No 10. PP. 576-583.
[7] Stoy J.E. Denotational semantics: the ScottStrachey approach to programming language theory. MIT Press. 1977.
[8] Linger R., Mills H., Witt B. Structured Programming: Theory and Practice. Reading. MA: Addison-Wesley, 1979.
[9] Пратт Т., Зелковиц М. Языки программирования: разработка и реализация. СПб.: Питер, 2002.
[10] Замулин А.В. Алгебраическая семантика императивного языка программирования // Программирование. 2003. № 6. С. 51-64.
[11] Пратт Т. Языки программирования. Разработка и реализация. - 1979.
[12] Kochan S. G. Programming in Objective-C. - Addison-Wesley Professional, 2011.
[13] Blanchette J., Summerfield M. C++ GUI programming with Qt 4. - Prentice Hall Professional, 2006.
PROGRAMMING LANGUAGES AND IT'S SEMANTIC IN TERMS OF MAPPING OF SYNTAXES
A.A. Emelyanov
Keywords: programming language, syntax, semantic, translingual translation, mapping of syntaxes.
This article provides new definitions for certain terms of the field of programming languages using the set theory. Both syntax and semantic are considered with defined terms and set theory, properties of translingual translations are considered also.
УДК 621.396
В.И. Логинов, доцент ФГБОУВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ В ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМАХ КОГНИТИВНОГО РАДИО
Ключевые слова: когнитивное радио, ряды Фарея, безитерационные алгоритмы, частотное распределение
Рассмотрены основные задачи и алгоритмы управления частотным распределением в системах когнитивного радио. Показаны особенности функционирования узкополосных и широкополосных систем когнитивного радио. С целью повышения ЭМС предлагается в управлении анализом, выбором и назначением частот связи использовать бе-зитерационные методы на основе рядов Фарея, которые способны функционируют в реальном времени.
В 2007 году бюллетень Technology Review Массачусетского технологического института назвал десять перспективных технологий, которые окажут наибольшее влияние на человеческое общество. Когнитивное радио [1] стоит на четвертом месте в этом списке представляет из себя радиосистему, которая использует технологию, ос-
83
нованную на получении знания о своей среде эксплуатации и географической среде, об установившихся правилах и о своем внутреннем состоянии; динамически и автономно корректировать свои эксплуатационные параметры и протоколы, согласно полученным знаниям, для достижения заранее поставленных целей и учиться на основе полученных знаний.
Развитие и интенсивное использование беспроводных телекоммуникационных технологий в современных условиях требует решение основной проблемы - рационального использования частотного спектра [3]. Исследование использования частотного спектра во многих странах показывает, что большая часть спектра используется неэффективно. Препятствием к решению этой проблемы является существующие лицензирование использования частотного спектра и без перехода на свободное (безлицензионное) успешное выполнение этой задачи не возможно. В основе безлицензионного использования спектра лежит технология динамического доступа к спектру, которая дает возможность нелицензированным пользователям получить доступ к частотному ресурсу наравне с лицензированными пользователями с использованием новых методов. Основное преимущество развития технологии когнитивного радио состоит в совмещение безлицензионного и лицензионного подхода использования частотного ресурса.
Стремительное развитие технологий когнитивного радио [1] и освоение новых диапазонов частот при условии соблюдения требований директивы ЭМС 2004/108/ЕС (от 15.12.2004 г. пункт 5) [2] ставит задачу совершенствования моделей и методов расчета систем нелинейного преобразования частот с целью их последующего использования на начальных этапах функционального проектирования и в системах управления частотным распределением когнитивного радио.
Расширение использования технологии когнитивного радио потребует изменение структуры, функциональных возможностей и алгоритмов управления существующей телекоммуникационной аппаратуры с введением элементов адаптации.
Когнитивное управление - это вид управления, основанный на проблемных знаниях (информация для выявления и решения проблем) и имеет отношение к процессу познания, исследования и мышления [3].
Когнитивное управление - это модель работы с проблемами от предвидения, выявления (обнаружения) до оценки результатов решения.
Цикл когнитивного управления направлен на решение задачи динамического использования частотных ресурсов лицензированными и нелицензированными пользователями с контролем возникновения и разрешения конфликтных ситуаций использования радиочастотного спектра в каналах связи (Рис. 1). Главная особенность системы управления когнитивного радио ее пространственная распределенность и наличие единого центра управления распределением частотных ресурсов.
Задачи когнитивного управления условно разделяются на задачи внешнего и внутреннего (применительно к базовой или абонентской станции) управления.
Рис. 1. Общая структура канала связи по технологии когнитивного радио.
Рассмотрим основной список задач внутреннего управления когнитивным радио.
1. Определение местоположения устройства абонентской станции когнитивного радио и оценка потенциальных параметров каналов связи и условий его распространения до ближайшей базовой станции.
2. Анализ спектра в точке приема и определение свободных спектральных диапазонов (спектральных дыр).
3. Анализ параметров радиоканала, оценка канальной информации, предсказание состояния радиоканала.
Контроль излучаемой мощности и динамическое управление спектром излучаемого сигнала.
4. Выбор способа обмена информации с использованием по выделенным базовым каналам связи или другим способом.
5. Решение проблем защиты информации и предотвращения атак.
Задачи внутреннего управления когнитивного радио, базируясь на результатах измерений и встроенных системах моделирования, строят систему знаний об окружающей радио-среде и на основе этой модели изменяют настройки радиосистемы таким образом, чтобы улучшить качество связи. Алгоритмы, используемые для решения внутренних задач когнитивного управления должны обрабатывать информацию и вырабатывать решения в реальном времени (временя переключения частот в существующих системах когнитивного радио больше 1 мксек).
Задачи внешнего управления [11]:
1) Оценка номинальной занятости и загруженности радиочастотного спектра в местах планируемого использования приемо-передающего оборудования когнитивного радио на основе: данных о радиоэлектронных средствах, хранящихся в геолокационной базе данных; данных радиомониторинга.
2) Определение допустимых параметров приемо-передающего оборудования для обеспечения электромагнитной совместимости с действующей (защищаемой) группировкой радиоэлектронных средств.
3) Принятие решения о возможности применения систем когнитивного радио по целевому назначению в реальных условиях в заданном территориальном районе.
4) Корректировка технических параметров приемо-передающего оборудования с использованием онлайн-контроля занятости и загруженности радиочастотного спектра в местах использования приемо-передающего оборудования СКР для корректировки параметров СКР или прекращения работы СКР ввиду использования СКР на вторичной основе и недопущения помех другим радиосредствам в используемых полосах радиочастот.
5) Мониторинг радио-эфира в процессе работы СКР с целью обеспечения применения СКР.
Для выявления необходимости совершенствования алгоритмов управления когнитивным радио в широкополосных системах рассмотрим фундаментальные зависимости, влияющие на базовые параметры каналов связи:
1. Вероятность ошибок при приеме данных зависит от отношения сигнал/шум, так при увеличении этого соотношения на 10 дБ (или увеличения отношения сигнал/помеха или уменьшения уровня помех нелинейного преобразования частот) вероятность ошибки приема данных уменьшается в 10 раз;
2. При увеличении мощности передатчика на 10 дБ дальность связи при этом возрастает в 1.7 раза (согласно формуле Введенского [4])
3. Потенциальная пропускная способность канала связи согласно теореме Шеннона C = F • log2 (1 + £/N), например, при увеличении отношения сигнал/шум с 10 дБ до 20 дБ позволяет повысить потенциальную пропускную способность канала связи почти в два раза (на 92.4 %), а увеличение отношения сигнал/шум с 10 дБ до 12,5 дБ -позволяет увеличить пропускную способность канала связи на 22.5 %.
Более подробный график зависимости выигрыша в пропускной способности канала связи при увеличении соотношения смешиваемых частот приведен на Рис. 2, где приведена зависимость по сравнению с базовым каналов отношением сигнала/шум в 10 дБ, если полоса пропускания канала сохраняется постоянной.
График увеличения пропускной способности канала связи по сравнению с каналом S/N в 10 дБ
10
20
30
40 дБ
50
60
70
80
8
7
6
5
4
3
2
0
0
Рис. 2. Потенциальный выигрыш в пропускной способности канала связи
Эти сравнения показывают, что незначительные улучшения параметров приемопередающих трактов путем уменьшения шумовых характеристик или уменьшения продуктов нелинейного преобразования частот существенно влияют на надежность систем связи их дальность связи и пропускную способность.
Рассмотрим примеры реализации систем когнитивного радио:
1. Опытная беспроводная сеть запущена в городе Форт-Лодердейл, штат Флорида. Хв-технология включает собственные базовые станции и специальные телефоны, 86
используется нелицензируемый спектр ISM — промышленных, исследовательских и медицинских частот 902...928 МГц. Технология xMax (XG Technology), в нем для мобильной связи Мощность сигнала достигает 4 Вт. Спектр делится на 18 каналов шириной 1,44 МГц. Фазовая модуляция BPSK, доступ TDMA, возможность одновременной обработки до 12 голосовых вызовов на канал. Радио прослушивает канал на наличие интерференции, и в случае необходимости переключается на частоту с минимальным уровнем шума. Сканирование производится 33 раза в секунду. В новом поколении устройств xG специальная гарнитура не используется, взаимодействие осуществляется через обычные смартфоны, которые обмениваются данными с мостом хMod.
2. П. Woliansky, выпускник Bell Labs, разработал устройство способное работать в диапазоне от 100 Мгц до 7.5 ГГц, включая частоты для телевидения, Wi-Fi и частоты для GSM. Устройство способно определять незанятые частоты и переключаться между ними за 50 мксек (отдельных случаях 1 мксек), что составляет рекорд по скорости переключения.
3. Компания Ettis Research предлагает линию полнодуплексных плат NI USRP, работающих в диапазонах от 50 МГц до 5,5 ГГц с возможностью переключения направления передачи. Типичная полоса 30 МГц.
4. В области систем военной связи наиболее интерес представляет решение, разработанное компанией Elektrobit, представляет из себя беспроводную IP-сеть тактического назначения, основными узлами которой являются маршрутизатор и головной радиоприемник (Radio Head Unit), показанные на фотографиях ниже
Этот краткий обзор систем когнитивного радио показывает, что их можно условно разделить на узкополосные и широкополосные. Анализируя тенденции развития систем когнитивного радио можно определить параметры идеальных устройств когнитивного радио:
- работоспособность в диапазонах частот от 9 КГц до 300 ГГц;
- способность принимать/передавать и модулировать/демодулировать во всех частотах и всех режимах модуляции;
- способность регулировать диапазон частот, тип модуляции, мощность использованием программного обеспечения.
Современный этап развития когнитивного радио характеризуется освоения узкого метрового диапазона частот 470-686 МГц (или 470-790 МГц для некоторых областей
России), т.е. внедрение систем когнитивного радио в этом диапазоне решит проблему нехватки частотных ресурсов и повысит эффективность существующих беспроводных технологий. Внедрение систем когнитивного радио для модернизации существующих систем сотовой связи экономически более эффективно, чем развертывание новых систем сотовой связи LTE.
Исходя из этого, условно можно разделить устройства когнитивного радио на два класса: узкополосные и широкополосные.
Типовая структурная схема узкополосные устройства когнитивного радио (рис. 3) характеризуются тем, что когнитивное управление распространяется только этап модуляции и демодуляции сигнала не затрагивая высокочастотный тракт.
Рис. 3. Когнитивное управление параметрами детектирования (кодирования) сигнала [6].
Типовой цикл управления когнитивным радио представлен на рис. 4, в котором управление высокочастотным трактом осуществляется только путем управления мощностью передатчика для обеспечения ЭМС соседних приемо-передающих станций.
В существующих системах когнитивного радио модуль управления решает задачу настройки параметров каналов связи только на этапах детектирования (модуляции) сигналов (Рис. 3). Управление высокочастотной частью сосредоточено на выборе уровня мощности передатчика, а управление частотами каналов приема и передачи сигнала выполняется только в плане анализа и выбора частот из ограниченного диапазона. Полностью отсутствуют оптимизация частотного распределения с целью уменьшения уровня продуктов нелинейного преобразования частот (не решается задача уменьшения уровня продуктов нелинейного преобразования частот декларированные в директиве ЭМС 2004/108/ЕС).
Для широкополосных устройств когнитивное управление, ограниченное только блоком модуляции и демодуляции (детектирование цифрового или аналогового) сигнала является недостаточным и не решает важная задача выбора оптимального частотного распределения, которая в узкополосных системах была решена на этапе проектирования ВЧ блока. Отсутствует решение задачи выбора оптимального частотного распределения согласно директиве ЭМС 2004/108/ЕС (от 15.12.2004 г. пункт 5) - оценить уровень помех нелинейного преобразования частот в высокочастотных трактах и обеспечить их минимальный уровень, как в каналах передачи, так и приема данных.
Задача оптимизации параметров частотного распределения с целью уменьшения помех нелинейного преобразования частот должна взаимодействовать с одной стороны (входные параметры) с задачей определения шумовой температуры, а с другой стороны управлять параметрами высокочастотного тракта: фильтрами преселектора, гетеродинными и промежуточными частотами, числом трактов преобразования с целью обеспечения уровня помех нелинейного преобразования частот не выше уровня шума канала связи.
Рис. 4. Схема взаимодействия подсистем когнитивного радио и основные задачи когнитивного управления для узкополосных систем
Дополнительно информация об уровне помех нелинейного преобразования частот можно использовать для выбора вида модуляции и уровня мощности передающего устройства канала связи.
Перспективы развития систем когнитивного радио специального назначения, оснащенные подсистемами измерения параметров каналов связи, мониторинга спектра и моделирования с высоким быстродействием позволяет повысить эффективность принятия решений и надежность каналов связи в системах когнитивного радио.
Автором разработан эффективный подход для решения задач частотного распределения в широкополосных системах когнитивного радио основанный на использовании рядов Фарея [9,10] и безитерационных параллельных методов оптимизации частотного распределения [7,8] с определением уровня помех нелинейного преобразования частот. Эффективность предлагаемых методов достигается за счет выполнения моделирования поведения нелинейных объектов в «ближней» зоне (частотный аспект), а методы определения уровня помех выполняется эмпирическими методами (амплитудный аспект). Основная цель такого сочетания повышения точности и увеличения эффективности решения задач электромагнитной совместимости выполнением моделирования в реальном времени с использованием специализированных процессоров на основе ПЛИС. Реализация на ПЛИС Altera (500 МГц) методики оптимизации частотного распределения нелинейного преобразования частот [10] показывает скорость решения типовой задачи анализа или оптимизации частотного распределения за время 0.5 мксек. Исходя и полученных результатов предполагается использование технологий анализа продуктов нелинейного преобразования частот на основе рядов Фарея и безитерационных методов оптимизации параметров частотного распределения для обеспечения задач внутреннего управления когнитивным радио (пункт 3) в плане предсказания состояния радиоканала путем моделирования частотного распределения каналов приема и передачи с целью оценки уровня помех нелинейного преобразования частот в ВЧ тракте, что составляет основную задачу обеспе-
чения внутренний электромагнитной совместимости и устойчивости канала связи. И обеспечить решение этих задач за время порядка микросекунд.
Список литературы:
[1] Joseph Mitola III. Cognitive Radio. An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio // Doctor of Technology Dissertation, Royal Institute of Technology, Sweden, May 2000.
[2] Европейская директива ЭМС 2004/108/EC. Электронный ресурс: Официальный Журнал Европейского Сообщества 31.12.2004. Режим доступа: http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/ electrical /emc/index_en.htm, пер. с английского http://www.ce-certificate.eu/storage/Dir.2004-108-EC_ed.%2022.06.2011 .pdf
[3] Дворкович А., Слюсар О. Умное радио. - Радиочастотный спектр, сентябрь, №4, 2009.-
C. 26-29.
[4] Родос Л.Я. Электродинамика и распространение радиоволн (распространение радиоволн): учебное пособие / Л.Я. Родос.- СПб.: Изд-во СЗТУ, 2007.- 90 с.
[5] Simon Haykin. Cognitive Radio: Brain-Emprowered Wireless Communications //IEEE Journal on selected areas and communications. vol. 23, No. 2, February 2005.- P. 213.
[6] Масесов Н.А., Панченко И.В., Бондаренко Л.А., Малых В.В. Рекомендации по внедрению стандарта беспроводной связи IEEE802.22 в системах радиосвязи специального назначения. Сборник научных трудов ВИТИ НТУУ "КИИ".- №1, 2013.- C. 47-53.
[7] Александров Е.В., Логинов В.И., Федосенко Ю.С. Методика оптимизации частотного распределения нелинейного преобразования частот на гармониках сигнала и гетеродина. Журнал -Проектирование и технология электронных средств. № 3, 2012. - С. 2-4.
[8] Грушин И. И., Логинов В.И. Проектирование полосового фильтра с минимальными требованиями к реализации для подавления помех в ближней зоне. - Радиотехнические и телекоммуникационные системы, №4, 2012. - С. 4-9.
[9] Александров Е.В., Логинов В.И. Эффективность расчета частотного распределения нелинейного преобразования частот с использованием рядов Фарея. Журнал - Радиопромышленность, 2013, № 1, С. 100-105.
[10] Грушин П. И., Логинов В.И., Ямпурин Н.П. Интеллектуальный анализ помех нелинейного преобразования частоты в ближней зоне и формулировка требований к элементной базе. //Труды 1 -ой Российско-Белорусской научно-технической конференции элементная база отечественной радиоэлектроники. Том 1. Нижний Новгород, 11-14 сентября 2013. - С. 233-235.
[11] Кизима С.В., Митченков С.Г., Емельянников Б. Б. Когнитивные радиотехнологии. Аспекты практической реализации.- Электросвязь, №9, 2014.- C. 44-48.
FREQUENCY DISTRIBUTION MANAGEMENT IN WIDEBAND COGNITIVE RADIO SYSTEMS
V.I. Loginov
Key words: cognitive radio system, Farey series, noniteration algorithm, frequency distribution
The main tasks and algorithms control the frequency distribution in cognitive radio systems are surveyed. The features the narrowband and wideband cognitive radio systems are shown. To enhance EMS features in wideband cognitive radio systems are offered in frequency distribution using noniteration methods based on Farey series, which may operate in real time.
