Исследование эффективности распределения канальных ресурсов в системах когнитивного радио

Зенин В.В.

Исследование эффективности распределения канальных ресурсов в системах когнитивного радио

Выпускная квалификационная работа студента 11.03.02. Инфокоммуникационные технологии и системы связи

Связь

Дипломы

Вуз: Белгородский государственный университет - национальный исследовательский университет (НИУ «БелГУ»)

ID: 5a40327e7966e104c6a3e8db

UUID: b89037f0-cb2c-0135-7322-525400005860

Язык: Русский

Опубликовано: больше 6 лет назад

Просмотры: 47

Зенин В.В.

Источник: Белгородский государственный университет - национальный исследовательский университет (НИУ «БелГУ»)

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 1,6 МБ

Поделиться работой

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ( Н И У « Б е л Г У » ) ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК Кафедра информационно-телекоммуникационных систем и технологий ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КАНАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ В СИСТЕМАХ КОГНИТИВНОГО РАДИО Выпускная квалификационная работа студента очной формы обучения направления подготовки 11.03.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи 4 курса группы 07001209 Зенина Владислава Витальевича Научный руководитель доцент кафедры Информационнотелекоммуникационных систем и технологий НИУ «БелГУ» канд. техн. наук, доцент Сидоренко И.А. Рецензент профессор кафедры прикладной информатики и информационных технологий, НИУ «БелГУ» канд. техн. наук, доцент Черноморец А.А. БЕЛГОРОД 2016

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..4 1 АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА ………………………………………….6 1.1 Эволюция поколений мобильной связи ……...……………………….....6 1.2 Анализ тенденций увеличения объемов передаваемой информации и прогнозов развития мобильных устройств ……….............................….13 2 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ КОГНИТИВНОГО РАДИО……………....18 2.1 Предпосылки появления технологии когнитивного радио…..……....18 2.2 Определение программно-конфигурируемого радио SDR. ……..…….20 2.3 Определение когнитивного радио……...………………………………..25 2.4 Принцип работы когнитивного радио………………………………..….28 2.5 Перспективные стандарты, разрабатываемые для когнитивных радиосистем………………………………………………………….…....35 2.6 Функциональная совместимость когнитивных радиосистем……….…38 3 ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ КОГНИТИВНОГО РАДИО…….41 3.1 Определение оптимального метода для достижения множественного доступа………………………………………………….…………………..….…41 3.2 Преимущества метода OFDM……………………………………..….…43 3.3 Проблемы, связанные с регулированием когнитивного доступа к спектру…………………………………………………………….………..….…45 3.4 Определение правил использования когнитивных устройств…………50 3.5 Нормативно-правовые положения для различных методов когнитивного доступа………………………………………….……...…..….…52 3.6 Изм. Лист Разраб. Провер. Рецензент Н. контр. Утв. Принципы использования высвобожденного спектра……………….…55 № докум. Зенин В.В. Сидоренко И.А. Е.П. Черноморец А.А. Сидоренко И.А. Жиляков Е.Г. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Исследование эффективности распределения канальных ресурсов в системах когнитивного радио Лит. Лист Листов 2 100 НИУ «БелГУ», гр. 07001209

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЧАСТОТНЫХ РЕСУРСОВ НА ПРИМЕРЕ СИСТЕМЫ ТЕЛЕВЕЩАНИЯ БЕЛГОРОДСКОГО РЕГИОНА………………………………………………....61 4.1 Анализ эффективности использования спектра в системах телерадиовещания Белгородского региона………..……………………........61 4.2 Оценка потенциально достижимой пропускной способности системы когнитивного радио…………………………………………….…………...….77 4.3 Рекомендации по практической части реализации дополнительных исследований……………………………………………………………………...83 5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ..84 5.1 Планирование работ по исследованию………………………...……….84 5.2 Расчет расходов на оплату труда на исследование…………….….…..85 5.3 Расчет продолжительности исследования………………………..…….87 5.4 Расчет стоимости расходных материалов…….………………………...87 5.5 Расчет сметы расходов на исследование…………….…………………88 ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………..92 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ………………….…….…..98 Лист Изм. Лист № докум Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР 3

ВВЕДЕНИЕ С начала века, XX когда началось практическое использование радиосистем различного назначения, освоение новых диапазонов частот и развитие систем радиосвязи и телевещания, интенсивность использования РЧС постоянно возрастала. Это сопровождалось перегрузкой частотного спектра и необходимостью решения сложных и чрезвычайно острых проблем, связанных с разработкой методов устранения взаимных помех между работающими радиостанциями и повышения эффективности использования РЧС. Основным механизмом распределения спектрального ресурса на сегодняшний день является так называемое лицензирование. Оно подразумевает закрепление того или иного частотного диапазона за тем или иным оператором, предоставляющим услуги конечному пользователю, на конкурсной основе. Соответственно, лицензированный спектр может использоваться только тем оператором, за которым он закреплен. С одной стороны, как показывают исследования, использование частотного ресурса неодинаково эффективно во всей полосе частотного спектра и зависит от частоты, электромагнитный спектр, телекоммуникационных обстоятельства пространства времени. пригодный систем, позволяют и для является говорить о С другой современных конечным стороны, мобильных ресурсом. неэффективности Данные существующего механизма распределения спектрального ресурса, который на сегодня является статическим практически во всех доступных полосах частот. Один из подходов к решению проблемы неэффективного использования спектрального ресурса был предложен в работах J. Mitola и вылился в концепцию когнитивного радио. система связи, огнитивное радио – это интеллектуальная беспроводная способная анализировать окружающую обстановку и приспосабливаться к ней посредством обучения, реагируя на изменения в окружении изменением своих собственных параметров Изм. Лист № докум. Подпись Дата например, несущей 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 4

частоты, мощности, способа модуляции) в реальном времени с целью увеличения эффективности использования спектрального ресурса. Цель и задачи работы. Целью выпускной квалификационной работы является исследование эффективности распределения канальных ресурсов в системах когнитивного радио. В соответствии с поставленной целью в выпускной квалификационной работе решаются следующие основные задачи: 1. Анализ тенденций развития систем ШПД 2. Анализ технологии когнитивного радио 3. Особенности реализации когнитивного радио 4. Исследование эффективности использования частотных ресурсов на примере системы телевещания Белгородского региона 5. Экономическая оценка результатов исследования Объем и структура работы. Выпускная квалификационная работа изложена на 100 страницах текста и состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Графический материал представлен в виде 8 рисунков и 20 таблиц. Список использованных источников включает 30 наименований на 3 страницах. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 5

АНАЛИЗ 1 ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА 1.1. Эволюция поколений мобильной связи Для начала следует определить, из-за чего вообще возникла необходимость в поиске решения проблем с эффективным распределением спектра и его использованием. Более 30 лет назад, когда появились мобильные устройства первого поколения, их работа была основана на аналоговом способе передачи информации и они имели возможность передавать речевые сообщения низкого качества без возможности предоставления каких-либо иных сервисов. Во времена 1G мобильной связи никто не думал об услугах передачи различного вида данных – это были аналоговые системы, задуманные и разработанные исключительно для осуществления голосовых вызовов и некоторых других скромных возможностей [1]. Модемы существовали, однако изза того, что беспроводная связь более подвержена шумам и искажениям, чем обычная проводная, скорость передачи данных была невероятно низкой. тому же, стоимость минуты разговора в 80-х была такой высокой, что мобильный телефон мог считаться роскошью. Во всех аналоговых стандартах применяется частотная ЧМ) или фазовая ФМ) модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления. Этот способ имеет ряд существенных недостатков: возможность прослушивания разговоров другими абонентами, отсутствие эффективных методов борьбы с замираниями сигналов под влиянием окружающего ландшафта и зданий или вследствие передвижения абонентов. Для передачи информации различных каналов используются различные участки спектра частот - применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access - FDMA). С этим Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 6

непосредственно связан основной недостаток аналоговых систем - относительно низкая емкость, являющаяся следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов. В каждой стране была разработана собственная система, несовместимая с остальными с точки зрения оборудования и функционирования. Это привело к тому, что возникла необходимость в создании общей европейской системы подвижной связи с высокой пропускной способностью и зоной покрытия всей европейской территории. Последнее означало, что одни и те же мобильные телефоны могли использоваться во всех Европейских странах, и что входящие вызовы должны были автоматически направляться в мобильный телефон независимо от местонахождения пользователя автоматический роуминг). роме того, ожидалось, что единый Европейский рынок с общими стандартами приведет к удешевлению пользовательского оборудования и сетевых элементов независимо от производителя. Со временем появилось второе поколение мобильной связи 2G а вместе с ним и новые возможности, которые повлекли за собой рост потребностей пользователей. Их основным отличием от сетей первого поколения стал цифровой способ передачи информации, благодаря чему появилась, любимая многими, услуга обмена короткими текстовыми сообщениями SMS англ. Short Messaging Service). При строительстве сетей второго поколения Европа пошла путем создания единого стандарта – GSM, в США большинство 2G-сетей было построена на базе стандарта D-AMPS (Digital AMPS – цифровой AMPS), являющегося модификацией аналогового AMPS. стати, именно это обстоятельство стало причиной появления американской версии стандарта GSM – GSM1900. С развитием и распространением Интернет, для мобильных устройств сетей 2G, был разработан WAP англ. Wireless Application Protocol – беспроводной протокол передачи данных) – протокол беспроводного доступа к ресурсам глобальной сети Интернет непосредственно с мобильных телефонов. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 7

Основными преимуществами сетей 2G по сравнению с предшественниками было то, что телефонные разговоры были зашифрованы с помощью цифрового шифрования; система 2G представила услуги передачи данных, начиная с текстовых сообщений СМС. Растущая потребность пользователей мобильной связи в использовании Интернета с мобильных устройств послужила основным толчком для появления сетей поколения 2,5G, которые стали переходными между 2G и 3G. Сети 2,5G используют те же стандарты мобильной связи, что и сети 2G, но к имеющимся возможностям добавилась поддержка технологий пакетной передачи данных – GPRS англ. General Packet Radio Service – пакетная радиосвязь общего пользования), EDGE (англ. Enhanced Data rates for GSM Evolution – повышенная скорость передачи для развития GSM) в сетях GSM [2]. Использование пакетной передачи данных позволило увеличить скорость обмена информацией при работе с сетью Интернет с мобильного устройств до 384 кбит/с, вместо 9,6 кбит/с у 2Gсетей. Дальнейшей эволюцией системы GSM стала технология GPRS. Ее внедрение способствовало более эффективному использованию канального ресурса и созданию комфортной среды при работе с сетью Интернет. Система GPRS разработана как система пакетной передачи данных с теоретической максимальной скоростью передачи порядка 170 кбит/с. GPRS сосуществует с сетью GSM, повторно используя базовую структуру сети доступа. Система GPRS является расширением сетей GSM с предоставлением услуг передачи данных на существующей инфраструктуре, в то время как базовая сеть расширяется за счет наложения новых компонентов и интерфейсов, предназначенных для пакетной передачи. Прогресс не стоял на месте, и для увеличения скорости передачи данных была изобретена новая система – EDGE. Она предусматривала введение новой Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 8

схемы модуляции. В результате стала достижима скорость в 384 кбит/с. EDGE была введена в сетях GSM с 2003 фирмой Cingular ныне AT&T) в США. Дальнейшим развитием сетей мобильной связи стал переход к третьему поколению. 3G – это стандарт мобильной цифровой связи, который под аббревиатурой IMT-2000 англ. International Mobile Telecommunications – международная мобильная связь 2000) объединяет пять стандартов – W-CDMA, CDMA2000, TD-CDMA/TD-SCDMA, DECT англ. Digital Enhanced Cordless Telecommunication – технология улучшенной цифровой беспроводной связи). Из перечисленных составных частей 3G только первые три представляют собой полноценные стандарты сотовой связи третьего поколения. DECT – это стандарт беспроводной телефонии домашнего или офисного назначения, который в рамках мобильных технологий третьего поколения, может использоваться только для организации точек горячего подключения хот-спотов) к данным сетям. Стандарт IMT-2000 дает четкое определения сетей 3G – под мобильной сетью третьего поколения понимается интегрированная мобильная сеть, которая обеспечивает: для неподвижных абонентов скорость обмена информацией не менее 2048 кбит/с, для абонентов, движущихся со скоростью не более 3 км/ч - 384 кбит/с, для абонентов, перемещающихся со скоростью не более 120 км/ч – 144 кбит/с. При глобальном спутниковом покрытии сети 3G должны обеспечивать скорость обмена не менее 64 кбит/с [3]. Основой всех стандартов третьего поколения являются протоколы множественного доступ с кодовым разделением каналов. Дальнейшим развитием мобильных сетей связи стала технология HSPA англ. High Speed Packet Access – высокоскоростной пакетный доступ), которую стали именовать 3,5G. Изначально она позволяла достичь скорости в 14,4 Мбит/с, однако сейчас теоретически достижима скорость 84 Мбит/с и более. Впервые HSPA была описана в пятой версии стандартов 3GPP. В ее основе лежит теория, Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 9

согласно которой при сопоставимых размерах сот применение многокодовой передачи позволяет достигать пиковых скоростей. В марте 2008 года сектор радиосвязи Международного союза электросвязи МСЭ-Р) определил ряд требований для стандарта международной подвижной беспроводной широкополосной связи 4G, получившего название спецификаций International Mobile Telecommunications Advanced (IMT-Advanced), в частности установив требования к скорости передачи данных для обслуживания абонентов: скорость 100 Мбит/с должна предоставляться высокоподвижным абонентам например, поездам и автомобилям), а абонентам с небольшой подвижностью например пешеходам и фиксированным абонентам)должна предоставляться скорость 1 Гбит/с. Основной, базовой, технологией четвёртого поколения технология ортогонального частотного уплотнения OFDM Frequency-Division Multiplexing – мультиплексирование частотным разделением каналов) [4]. является англ. Orthogonal с ортогональным роме того, для максимальной скорости передачи используется технология передачи данных с помощью N антенн и их приёма М антеннами – MIMO (англ. Multiple Input/Multiple Output – множество входов/множество выходов). При данной технологии передающие и приёмные антенны разнесены так, чтобы достичь слабой корреляции между соседними антеннами. В настоящее время ведутся научно-исследовательские работы в направлении разработки и создания сетей 5G. В 2015 году МСЭ разработал сценарий развития технологии и определил её название — «IMT-2020». Поставлена цель внедрения в жизнь стандарта IMT-2020 к 2020 году[5]. сетям пятого поколения заявлены следующие амбициозные требования в сравнении с LTE): - Рост в 10-100 раз скорости передачи данных в расчете на абонента; - Рост в 1000 раз среднего потребляемого трафика абонентом в месяц; Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 10

- Возможность обслуживания большего в 100 раз) числа подключаемых к сети устройств; - Многократное уменьшение потребление энергии абонентских устройств; - Сокращение в 5 и более раз задержек в сети; - Снижение общей стоимости эксплуатации сетей пятого поколения [6]. Сравнение различных параметров в мобильных сетях разных поколений показано в таблице 1.1: Таблица 1.1 - Параметры сетей и диапазоны занимаемого частотного спектра Поколение 1G 2G 2.5G 3G 3.5G 4G Реализация 1984 1991 1999 2002 2006-2007 2008-2010 Сервисы аналоговый цифровой увеличение увеличение увеличение увеличение стандарт, стандарт, емкости емкости скорости емкости, IP речевые поддержка сетей, сетей, передачи - сообщения SMS пакетная увеличение данных ориентиров скорости анная сеть, передачи поддержка данных мультимед сообщений передача данных иа Скорость 1,9 кбит/с передачи 9,6-14,4 115 - 384 2 Мбит/с 3-14 100 Мбит/с кбит/с кбит/с Мбит/с - 1 Гбит/с Стандарты AMPS,TAC TDMA, GPRS, WCDMA, HSDPA, LTE S, NMT CDMA, EDGE, CDMA HSUPA, Advanced, GSM, PDC 1xRTT 2000, HSPA, WiMax UMTS HSPA+ Release2 - (IEEE 802.16m) Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 11

Окончание таблицы 1.1 Сеть PSTN PSTN Диапазон 400-900 900 используе МГц 1800 МГц; мых частот МГц, 1900 МГц США) PSTN, сеть сеть сеть сеть пакетной пакетной пакетной пакетной передачи передачи передачи передачи данных данных данных данных 2000 МГц 700 МГц, 1700 МГц, 2100 МГц США) ; 800 МГц, 1800 МГц, 2600 МГц Европа); 700 МГц, 800 МГц, 1500 МГц, 1700 МГц, 2100 МГц Япония) Таким образом частотные диапазоны распределены и для пятого поколения существуют определенные сложности с выделением полосы, пригодной для его использования. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 12

1.2. Анализ тенденций увеличения объемов передаваемой информации и прогнозов развития мобильных устройств С изменениями технологий предоставления мобильной связи менялось и количество абонентов, а следовательно и количество передаваемого трафика. С тех пор, как в 2000 г. появился первый мобильный телефон с фотокамерой, число абонентов мобильной связи на нашей планете увеличилось в пять раз. По некоторым прогнозам к 2020 г. количество абонентов достигнет более 9 миллиардов. На сегодняшний день в мире существуют 2,6 миллиарда пользователей смартфонов, и в то время как их рост стал выравниваться на развитых рынках таких регионов как Северная Америка и Европа, его темпы роста не претендуют долгосрочно задерживаться на одной позиции. В течение следующих 5 лет планируется подключение более 26 миллиардов мобильных устройств, включая мобильного широкополосного доступа, M2M-устройства: навигации, систем устройства обеспечения безопасности и видеонаблюдения, контроля состояния здоровья и т.д. 2020 г. M2M-соединения будут представлять 26,4% подключенных мобильных устройств показатель 2015 г. — 7,7%) и будут генерировать 6,7% общего мобильного трафика в 2015 г. — 2,7%) [7]. 2020 году 72% всех мобильных устройств будут относится к категории «умных». Во всем мире ожидается 6,1миллиарда пользователей смартфонов во главе с огромным ростом на менее развитых рынках в странах Азии, Ближнего Востока и Африки. Их трафик будет составлять 80% всего мобильного трафика данных. Если 6,1 млрд смартфонов будут находиться в обращении, то мы станем свидетелями переломного момента: количество пользователей смартфонов, наконец, превысит количество пользователей стационарной фиксированной связи во всем мире в 2020 году. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 13

С ростом количества устройств неуклонно возрастают объёмы передаваемой информации в сетях мобильной связи. Мировой мобильный интернет-трафик за 2015 год вырос на 65%, видеопотребление на мобильном телефоне в настоящее время растет со скоростью 55% в год, а трафик, создаваемый в социальных сетях, стал вторым по объему после видеотрафика. Прогнозируется, что в ближайшие шесть лет трафик, генерируемый пользователями соцсетей, вырастет в 12 раз, сообщается в отчете компании Ericsson . При этом за 2015 год в высокоскоростных сетях LTE насчитывается 1 млрд подключений, 160 млн из которых пришлись на четвертый квартал. В целом за четвертый квартал 2015 года в мобильных сетях зафиксировано порядка 7,3 млрд подключений, что равно численности мирового населения. Новых подключений за квартал насчитывается 68 млн. По росту этого показателя лидировали страны Азии и Ближнего Востока [8]. лючевые положения представлены в таблицах 1.2. и 1.3: Таблица 1.2 - Прогнозирование изменения количества пользователей различными стандартами связи, а также количества пользователей смартфонов. атегории мобильных Единицы пользователей 2015 Прогноз к 2021 измерения 7,300 9,100 миллионы 3,400 6,400 миллионы 0 150 миллионы оличество абонентов мобильной связи во всем мире Пользователей смартфонов Пользователей 5G Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 14

Окончание таблицы 1.2 Пользователей мобильной 3,600 7,700 миллионы 3,600 1,300 миллионы 2,200 3,200 миллионы 1,000 4,100 миллионы широкополосной связи Пользователей мобильной связи только GSM/EDGE стандартов Пользователей мобильной свзи стандартов WCDMA/HSPA Пользователей мобильной связи стандарта LTE Таблица 1.3 - Количество передаваемого трафика. Накоплено Прогноз на Единицы 2010–2015 2016–2021 измерения Всего 120 1,600 ЭксаБайты* Видео 50 1,000 ЭксаБайты* Социальных сетей 15 180 ЭксаБайты* мобильного трафика Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 15

1 ЭксаБайт = 1 073 741 824 ГигаБайт Несколько операторов сотовых сетей, планируя своё дальнейшее развитие, пришли к решению о "выключении" сетей GSM [9]. О своём решении они объявили публично и некоторые из них даже обозначили более-менее конкретные сроки. Это означает, что были оценены все плюсы и минусы отказа от сетей 2-го поколения и сделано это будет ради более эффективного использования имеющегося у операторов частотного ресурса. В середине июня 2015 года три оператора сотовых сетей, развёрнутых в Сингапуре, сообщили, что намерены через два года перестать эксплуатировать свои сети GSM. омпании M1, Singtel и StarHub запланировали отключение сетей 2-го поколения на 1 апреля 2017 года. По данным GSMA Intelligence, в Сингапуре услугами сотовой связи пользуется около 3,5 млн. абонентов, 458 тысяч — владельцы 2G-телефонов и модемов. Информация не была неожиданной: о том, что SingTel планирует отказаться от сети 2G, было сказано ещё осенью прошлого года на выставке "LTE ASIA 2014". До этого появлялась информация о желании расстаться с GSMсетями и от других крупных сотовых операторах в разных частях мира. Так, австралийская компания Telstra намерена отказаться от "старой" сети до конца 2016 года, американская AT&T может выключить базовые станции в сети 2G в начале января 2017 года. А южнокорейская компания KT с января 2012 года уже перестала предоставлять услуги связи в сети 2G, освободившиеся частоты были задействованы для сетей LTE. такому шагу оператора KT подтолкнула жёсткая конкуренция внутри местной "большой тройки". Своеобразным буфером, предотвращающим резкий отказ от 2G- терминалов, является рынок M2M, где распространены именно GSM-модемы, благодаря хорошему балансу между их стоимостью и характеристиками. Таким образом уже сейчас можно наблюдать реально имеющиеся проблемы с распределением спектральных ресурсов в различных государствах и Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 16

областях с разными плотностями населения. Прослеживаются тенденции повышения пропускных способностей, увеличения скорости передачи данных, появления новых сервисов и приложений, увеличение количества девайсов, поддерживающих доступ в интернет, что приводит к проблемам поиска новых частотных ресурсов и удовлетворения потребностей населения в широкополосном доступе в Интернет. Одним из возможных решений данных проблем является использование технологии когнитивного радио. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 17

2 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ КОГНИТИВНОГО РАДИО 2.1. Предпосылки появления технологи когнитивного радио Сети передачи данных - жизненный компонент любого современного общества. Они активно используются в многочисленных отраслях человеческой деятельности, включая финансовые операции, социальные взаимодействия, образование, национальную безопасность, и торговлю. В частности оба типа устройств, будь то проводные или беспроводные устройства, способны к предоставлению множества современных функции, которые поддерживают значительный объем услуг, таких как голосовая телефония, веб-браузеры, потоковые мультимедиа услуги, и передача различных типов данных. С быстрым развитием микроэлектроники беспроводные приемопередатчики становятся более универсальными, мощными, и портативными. Это подтолкнуло к развитию программно-конфигурируемого приемопередатчики радио способны с (SDR) помощью - технологии, программного где радио- обеспечения устанавливать или изменять рабочие радиочастотные параметры, включая диапазон частот, тип модуляции, выходную мощность, компрессию и корректирующие коды. Начиная с введения технологии в 1991, SDR было определено как радио платформа, функциональность которой, по крайней мере, частично управляется или осуществлена в программном обеспечении. Следовательно, любая форма волны определенная в памяти SDR платформы может использоваться на любой частоте [10]. Хотя первоначально существовали ограничения в конверсионных процессах между аналоговыми и цифровыми сигнальными областями, появление быстродействующих дешевых цифро-аналоговых преобразователи DACs) и аналого-цифровых конвертеров (ADCs) принесло идеальный концепт SDR как Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 18

систему связи, выполненную полностью на программном обеспечении включая функциональность радиочастотных изменений). Беспроводные устройства, которые могут быть описаны как SDR, фактически существовали еще несколько десятилетий назад. Первоначально они были задействованы в военных технологиях, прежде чем началось их использование в коммерческом секторе. Военные программы, такие как SpeakEasy использовали программную обработку для эмуляции различных существующих военных систем радио, работающих в диапазоне от 2 до 2000 МГц, с возможностью взаимодействия друг между другом[11]. Хотя амбициозный проект SPEAKeasy действительно производил функционально опытный образец, даже при том, что в программировании форм волны в нем использовался ассемблер низкого уровня не означало, что программное обеспечение было совместимо с более новыми процессорами. роме того, с точки зрения мобильности, первые опытные образцы SpeakEasy были достаточно большими даже для того, чтобы вписаться в заднюю часть грузовика [12]. Одним из первых существенных промышленных внедрений платформы SDR стала базовая станция Anywave Vanu, использовавшая программное обеспечение, которая соединяла множественные сотовые стандарты доступа в простом исполнении SDR. С тех пор как сотовые стандарты базируются на программном обеспечении, они могут быть изменены "на лету", чтобы приспособиться к различным пользовательским потребностям из каждой соты, вместо того, чтобы менять радиочастоту RF) в аппаратных средства, модернизация которых может быть предельно дорогостоящей. роме того, новые стандарты могут быть загружены в SDR платформу для непосредственного развертывания в сотовой области [13]. С увеличением эффективности и возрастанием жизненного цикла платформы SDR, большинство разработчиков стремятся использовать универсальный код для их программного обеспечения, переиспользуемые Изм. Лист № докум. компоненты, которые могут работать с различными Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 19

конфигурациями формы волны, и аппаратными средствами, которые могут быть легко модернизированы [14]. Учитывая простоту и скорость программирования операций по основной полосе частот в платформе SDR, эта технология, как полагают, является главным кандидатом для многочисленных передовых сетевых приложений и архитектур, которые были нереализуемы всего несколько лет назад. Платформа, основанная на SDR, которая может быстро реконфигурировать операционные параметры, основанные на изменении требований и условий и посредством процесса познания стала известна как когнитивное радио [15]. Термину когнитивное радио (CR) впервые дал определение Джозеф Митола III . Согласно Mitola, технология CR - это “пересечение персональных беспроводных технологий и вычислительного интеллекта”, где CR определено как “радио несомненно идет рука об руку с SDR; вместе, они могут достигнуть функциональности, которую рассматривали невозможной всего лишь пару десятилетий назад. Из этого следует, что прежде чем продолжить дальнейшее описание CR, необходимо сначала провести краткий обзор технологии SDR. 2.2. Определение программно-конфигурируемого радио SDR Прежде, чем описать, как работает SDR, необходимо рассмотреть конструкцию обычного цифрового радио, схема которого показана на рисунке 2.1. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 20

Рисунок 2.1 - Функциональная схема цифрового радио . Рисунок 2.1 показывает блок-схему цифрового радио, которая состоит из пяти секций: ■ Секция антенны, которая получает или передает закодированную информацию посредством радиоволн. ■ Радиочастотный передней оконечный участок, который отвечает за передачу/прием радиочастотных сигналов от антенны и преобразования их в промежуточную частоту (ПЧ). ■ секция АЦП/ЦАП, которая выполняет аналого - цифровые / цифро аналоговые преобразования. ■ Блоки передискретизации - цифрового повышающего преобразования (DUC) и цифрового преобразования с понижением частоты DDC), которые по существу выполняют модуляцию сигнала на пути передачи и демодуляцию сигнала на пути получения. ■ Секция основной полосы частот, которая выполняет операции, такие как установка связи, эквализация, скачкообразная перестройка частоты, кодирование/расшифровка, и корреляция, в то время как также осуществляет протокол канального уровня. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 21

DDC/DUC и операции по обработке основной полосы частот требуют большой вычислительной мощности, и в обычном цифровом радио осуществляются в специализированных аппаратных средствах. В программируемом цифровом радио PDR) операции по обработке основной полосы частот и протоколы уровня реализованы в программном обеспечении, в то время как функциональные возможности DDC/DUC осуществляются с использованием специализированных интегральных схем (ASICs). Программно-конфигурируемое радио относится к технологиям, в которых эти функции выполняются программными модулями, работающими на программируемых пользователем вентильных матрицах (FPGAs), процессорах цифровых сигналов (DSP), процессорах общего назначения различными сочетаниями этих устройств. Это позволяет GPP), или одновременно программировать DDC/DUC и основную полосу частот для обработки в различных блоках. Следовательно, операционные особенности радио, такие как кодирование, тип модуляции, и диапазон частот, могут быть изменены по желанию, просто с помощью загрузки нового программного обеспечения. Также несколько радиоустройств, использующих различные виды модуляции могут быть заменены одним единственным радиоустройством, которое может выполнить те же самые задачи. Если преобразование AD/DA может быть отодвинуто еще дальше в блок RF, программируемость может быть расширена до переднего края RF и реализация идеального радио, определяемого программно конфигурируемым может быть осуществлена. Однако в данном переходе есть множество проблем: от радиоаппаратных средств до программного обеспечения. Во-первых, переход от аппаратных средств до обработки программного обеспечения приводит к существенному увеличению вычислительных затрат, которые в свою очередь приводят к увеличенному расходу энергии. Это уменьшает срок службы Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 22

аккумулятора и является одной из основных причин, почему программно конфигурируемое радио еще не были развернуто в устройствах конечного пользователя, а размещается в базовых станциях и точках доступа, которые могут использовать для своих целей внешние энергетические ресурсы. Во-вторых, вопрос, где преобразование AD/DA может быть выполнено, определяет то, какие радио-функции могут быть выполнены в программном обеспечении и, следовательно, как реконфигурируемое радио может быть выполнено. онечная цель для радио с определяемым программным обеспечением должна переместить AD/DA преобразование настолько близко, насколько возможно к антенне так, чтобы вся обработка сигнала могла быть выполнена в цифровой форме. Однако существуют два технических ограничения, которые делают в настоящее время неосуществимым преобразование AD/DA в антенне. Во-первых, преобразование в цифровую форму сигнала RF требует поступающий сигнал, который будет выбран, по крайней мере, при уровне, который определен частотой Найквиста. роме того, чем выше скорость передачи данных сигнала, тем выше требование к разрешающей способности, чтобы захватить информацию. В совокупности это означает, что высокая пропускная способность и высокочастотные передатчики требуют очень высоких частот дискретизации. Способность поддержать очень высокие частоты дискретизации, которая особенно важна с использованием высокочастотных сигналов в гигагерцовом диапазоне, ограничивает диапазон того, что может быть переведено в цифровую форму. примеру, типичные каналы, которые используются устройствами в стандарте 802.11 WiFi имеют ширину 20 МГц. Для того, чтобы гарантировать, что все 20 МГц предоставлены модему без искажения, для ADC АЦП) не является необычным перевести 40 МГц в цифровую форму или для полосы пропускания сигнала. Для захвата 40 МГц аналоговой полосой пропускания сигнала, установленной с помощью фильтров IF без наложения артефактов, АЦП, Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 23

вероятно, будет дискретизировать сигнал со скоростью выше 80 миллионов выборок в секунду Msps). На самом деле, только недавно стали доступными по стоимости достаточно быстрые DSPs и наборы широкополосных микросхем AD/DA и сделали возможным наблюдать преобразование IF скорее, чем сигнал основной полосы частот. SDR в настоящее время используется, чтобы построить радиостанции, которые поддерживают различные технологии интерфейса например, CDMA, GSM, и WiFi) с единственным модемом, который может менять конфигурацию с помощью программного обеспечения. Тем не менее, модемы SDR являются дорогостоящими, так как они, как правило, влекут за собой программируемые устройства, такие как FPGAs, в отличие от выпускаемых серийно одноцелевых ASICs используемых в большинстве потребительских устройств сегодня ключевых компонентов для недорогих телефонов). Даже и сегодняшние многомодовые устройства имеют, как правило, только несколько ASICs или несколько ядер на одном единственном ASIC. SDR в настоящее время используется главным образом в военных целях, где на стоимость компонентов накладываются значительно меньшие ограничения, нежели на устройства, предназначенные для широкого круга пользователей. SDR это также технология модема, которая игнорирует проблемы, конструктивно образующиеся в RF устройствах. В частности, радиочастотные конструкции беспроводных устройств, как правило, тесно связаны между собой с базовой технологией доступа и обладают современным дизайном. Например, разные технологии радиоинтерфейса имеют различные требования к спектральной маске и разные степени уязвимости по отношению к соканальным помехам и сильной мощностью, создаваемой в соседнем канале. Устройство, которое должно работать в широкой полосе частот или в широком диапазоне RF - сигнальных сценариев (т.е. там, где другие устройства Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 24

работают на соседних частотах), будет более сложным и дорогим чем устройство узкоспециализированное. 2.3. Определение когнитивного радио Реконфигурируемая технология, которую предлагает SDR, позволяет радиоустройствам переключаться между программно-определенными функциями и операциями. Однако, SDR может делать это только по требованию пользователя; оно не способно перенастраивать себя в наиболее эффективную форму без участия пользователя из вне. В научных работах Митолы и многих его публикациях, он предлагал идею самореконфигурирующегося радио и дал ему определение когнитивного радио. Согласно раннему видению Митолы, CR должно было быть реализовано за счет интеграции модели со встроенным программным обеспечением, основанной на рассуждении и могло бы самопознавать изменения в окружающей радиообстановке, вместо того, чтобы изменять свои настройки только с помощью пользователя программированием из вне. По аналогии с умственной деятельностью познания, Mitola также обрисовал в общих чертах познавательный цикл, через который такое радио может перенастраивать себя через непрерывный процесс познания - как себя, так и внешнего мира, восприятия, рассуждения, и принятия решений. В концепция CR упор делается на повышении качества информации и опыта, пригодного для пользователя, с возможностями реконфигурации системы за счет способности когнитивного радио стать средством для этих целей. В настоящее время термин CR стал всеобъемлющим для широкого спектра разнообразных технологий, которые позволяют радиоприборам достигать различных уровней конфигурации с акцентом на различных функциональных возможностях, начиная от вездесущего Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 25

беспроводного доступа, оптимизации автоматизированного распределения радиоресурса, до динамического доступа к спектру в перспективных устройствах. В настоящий момент существует несколько определений когнитивного радио. Одно из них звучит следующим образом: когнитивное радио – это радиосистема, использующая технологию, которая позволяет системе получать знания о своем эксплуатационном или географическом окружающем пространстве, установленных регуляторных нормах и своем внутреннем состоянии; динамично и независимо от внешнего пользователя способна подстраивать свои эксплуатационные параметры и протоколы в соответствии с полученными знаниями для достижения предустановленных целей; способна обучаться на основе полученных результатов. Федеральный омитет Связи США (FCC) использует более узкое определение для этого понятия: когнитивным радио CR) является радио, которое может изменять свои базовые параметры приемопередатчика на основе взаимодействия с окружающей средой, в которой оно работает. Большинство когнитивных радиосистем, вероятно, будут относиться к SDR, но ни одна из них, имея программное обеспечение, не будет широкой областью для программирования сторонними пользователями, что является требованиями когнитивного радио. Несмотря на некоторые различия во множестве существующих определений, понятие CR имеет две главные особенности, которые находятся практически в каждом из предлагаемых определений. Системы CR обладают способностью самореконфигурироваться и имеют интеллектуально адаптивное поведение. Под интеллектуально адаптивным поведением здесь следует понимать способность адаптироваться к изменениям радиообстановки, не будучи априори запрограммированным для этих целей; то есть, через некоторую форму обучения или познания. Например, телефон, который Изм. Лист изучает № докум. радиочастотную Подпись Дата карту вокруг него, может создать 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 26

индексированный вектор местоположения RSSI широта, долгота, время, RF, RSSI) и использовать алгоритм машинного обучения для того, чтобы переключать диапазон его частот, в то время как пользователь будет передвигаться в пространстве. Из этого следует, что функции когнитивного радио требуют, по меньшей мере, следующих способностей: ■ Гибкость и быстродействие - способность изменять форму волны и другие радиоэксплуатационные параметры на лету. Напротив, существует весьма ограниченная вероятность того, что существующее на текущий момент многоканальное мультирадио MC-MR) способно сделать что-либо подобное. Полная гибкость становится возможна,только тогда, когда CR системы построены на основе SDR систем. Другим важным требованием, для того, чтобы достигнуть необходимой гибкости, являются реконфигурируемые или широкополосные антенные устройства. ■ Чувствительность - способность наблюдать и оценивать состояния окружающей среды, включая спектральную загруженность. Чувствительность необходима, если устройство должно изменить свои параметры, основываясь на его знаниях об окружающей RF среде. ■ Способность к познанию и адаптации - способность анализировать входящую информацию, распознавать различные структуры, и изменять внутреннее эксплуатационное поведение, основываясь на анализе новых ситуаций, не только на предварительно закодированных алгоритмах, но также и в результате механизмов познания. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 27

2.4. Принцип работы когнитивного радио В настоящий момент радиосвязь развивается таким образом, что с каждым днем предлагается все больше услуг, использующих различные технологии и радиоинтерфейсы. В таком сложном радиопространстве когнитивная способность терминала является ключевой и может обеспечить оптимизацию использования радиоресурсов. Учитывая информацию о радиопространстве, когнитивное радио может переключаться на наиболее подходящую технологию и частоту для предоставления требуемой услуги. Особенностью когнитивных систем является использование элементов искусственного интеллекта. Помимо традиционных плоскости пользователей и плоскости цифрового управления добавляется плоскость искусственного интеллекта, которая обеспечивает поддержку всех уровней сетевой архитектуры. Архитектура когнитивных сетей базируется на технологии принятия решений и технологии управления знаниями о предметной области. огнитивные сети, прежде всего, будут использоваться для межуровневой оптимизации сети и управлять динамикой принадлежащие действий, многим уровням последовательность шагов одновременно в стеке используя протоколов сети. параметры, Расширяя цикл) реализации интеллектуального управления автономной системой, состоящего из последовательности "мониторинга, анализа, планирования и выполнения", универсальная архитектурная платформа когнитивной системы может содержать следующие модули: модуль мониторинга и сбора данных; модуль логического вывода рассуждения); модуль обучения; модуль принятия решения; исполнительный модуль; модуль политики и модуль управления знаниями, как показано на рис. 2.2: Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 28

Рисунок 2.2 - Архитектура платформы когнитивной радиосистемы огнитивная система непрерывно зондирует свою среду, чтобы идентифицировать потенциальные условия, которые могли бы оказывать воздействие на ее функционирование. Рассмотрим назначение основных модулей когнитивной сети. Модуль мониторинга и сбора данных объединяет, коррелирует и фильтрует данные до тех пор, пока условие, которое должно быть далее анализировано, не будет идентифицировано. Наблюдения, зафиксированные модулем мониторинга и сбора данных, будут обработаны и проанализированы модулем логического вывода, и в то же время, они направятся в модуль обучения, который в состоянии изучить и запомнить полезные наблюдения, которые могут помочь процессу принятия решения в будущем. Модуль логического вывода определяет потенциальные действия и стратегии, которые будут базироваться на наблюдениях и знаниях, которые приобретены посредством модуля обучения и заложены в модуль политики. Модуль принятия решений определяет действия, которые будут взяты из опыта эксплуатации системы, а также из модуля обучения. Исполнительный модуль реализует результаты обработки, полученные Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 29

модулем принятия решения. Модуль обучения может обучаться на основе нескольких источников, например, из собранной информации, стратегии решений, и полученной обратной связи; он может также коррелироваться и выделять из этого полезные для себя знания. Архитектура когнитивной беспроводной сети должна быть расширяемой и гибкой для поддержания дальнейшего усовершенствования технологии, элементов сети и новых целей. Основные компоненты приемника когнитивной радиосистемы представлены на рисунке 2.3: Рисунок 2.3 - Функциональная схема когнитивного радиоприемника на платформе SDR аждый компонент может быть изменен через шину управления, чтобы адаптироваться к изменяющейся во времени РЧ среде. Важной характеристикой когнитивной приемопередающей системы является возможность широкополосного зондирования ее переднего конца РЧ. Эта функция в основном связана с технологиями РЧ оборудования, такими как широкополосные антенны, усилители мощности, и адаптивные фильтры. РЧ оборудование для когнитивного радио должно быть способно настраиваться под любой сегмент в широком диапазоне спектра. Такое спектральное зондирование позволяет проводить измерения в режиме реального времени и получать информацию об окружающей радиосреде и спектральной занятости. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 30

В структуру приемопередатчика малошумящий усилитель входят следующие компоненты: МШУ) - МШУ усиливает полезный сигнал и одновременно сводит к минимуму составляющую шума; РЧ-фильтр - РЧ-фильтр выбирает нужный диапазон с помощью полосового фильтра приемника; смеситель - смеситель умножает принимаемый сигнал на локально сгенерированный РЧ сигнал и преобразует его в основной полосе частот или промежуточной частоты ПЧ); генератор, управляемый напряжением ГУН) ГУН генерирует синусоиду умножаемую с полученным сигналом и преобразует его в любом ПЧ или основной полосы частот сигнала; фазовая автоподстройка частоты ФАПЧ) - основной задачей системы ФАПЧ является подстройка сигнала к определенной частоте и генерирование точных частот с высоким разрешением; фильтр выбора канала - фильтр выбора канала используется для выбора желаемого канала и исключает использование других нежелательных каналов; автоматическая регулировка усиления АРУ) - АРУ используется для поддержания постоянного уровня мощности выхода усилителя в широком диапазоне уровней входных сигналов. В этой архитектуре широкополосный сигнал поступает через передний конец РЧ на аналого-цифровой преобразователь высокого быстродействия, и выполняются измерения для определения сигнала лицензированного пользователя. АЦП представляет собой наиболее критичный компонент в системе, поскольку его быстродействие влияет на то, насколько близко антенна должна быть к самому АЦП. Среди наиболее важных характеристик самого АЦП необходимо выделить его скоростные параметры, разрешение и линейность. Если рассматривать АЦП с невысокой стоимостью а только такие могут использоваться в массовой продукции), то разрешение таких приборов в среднем достигает 100 млн выб./с. Это достаточное значение для того, чтобы оцифровать сигнал промежуточной частоты, но явно недостаточно для оцифровки высокочастотного радиосигнала. Прямой путь реализации когнитивного радио — Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 31

использовать архитектуру прямого преобразования, в которой аналоговые цепи напрямую понижают радиочастотный сигнал, пропуская этап промежуточной частоты. Такая архитектура позволяет поддерживать более широкий диапазон частот и полос пропускания за счет прямого преобразования и отсутствия каскадов промежуточной частоты. Другой подход заключается в использовании нескольких антенн так, что фильтрация сигнала выполняется в пространственной области, а не в частотной области. Несколько антенн могут быть использованы, чтобы принимать сигналы выборочно с использованием методов формирования луча. лючевой задачей когнитивного радио является точное обнаружение маломощных сигналов лицензированных пользователей в широком диапазоне спектра. Таким образом, реализации переднего конца РЧ с возможностью захвата широкополосных сигналов и быстродейственными АЦП/ЦАП преобразователями являются важными задачами в области построения когнитивных радиосистем. Организация системы когнитивного радио возможна следующими способами: • с использованием базы данных, содержащей информацию об окружающем радиопространстве например, о технологиях радиодоступа); • с использованием контрольного канала Cognitive Pilot Channel, CPC). Текущие мировые исследования сосредоточены на концепции использования контрольного канала СРС. Его суть заключается в том, что доставка необходимой информации осуществляется с помощью своего рода общего контрольного канала, который позволяет терминалу знать о статусе занятости радиоканала. огнитивной системой с контрольным каналом можно считать систему, обеспечивающую работу радиоканала в окружающей среде с несколькими технологиями радиодоступа Radio Access Technology, RAT). Пример среды с несколькими технологиями радиодоступа схематично приведен на рисунке 2.4: Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 32

Рисунок 2.4 - Пример содержания окружающей среды с несколькими технологиями радиодоступа. Без наличия какой-либо информации о расположении нескольких технологий радиодоступа в пределах рассматриваемой полосы частот, достижимой с подвижного терминала, необходимо просканировать всю полосу частот для того, чтобы узнать загруженность спектра. Однако для этого требуется длительное время. В таком контексте, в контрольном канале необходимо передать достаточное количество информации на мобильный терминал, чтобы тот, в свою очередь, смог начать сеанс связи, оптимизированный ко времени, ситуации и местоположению. В контрольном канале требуется передать соответствующую информацию, касающуюся полос частот, технологий радиодоступа, служб и состояния загруженности спектра в местоположении терминала. В частности, после включения подвижный терминал не знает, какая технология радиодоступа может быть наиболее подходящей или в каких полосах частот работают возможные технологии радиодоступа. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 33

В работе терминала при взаимодействии с контрольным каналом предлагается различать две основные фазы, так называемые фазы «запуска» и «продолжения». Фаза «запуска»: после включения терминал определяет свое географическое местоположение, используя систему позиционирования, и позже он обнаруживает CPC. После определения и синхронизации с CPC, терминал осуществляет поиск информации, передаваемой в контрольном канале, касающейся зоны его расположения, что и завершает фазу запуска. Фаза «продолжения»: когда терминал подсоединился к сети, может быть полезна периодическая проверка информации, направленной от CPC, для быстрого обнаружения изменений в окружающей среде в связи либо с изменением положения, либо реконфигурацией сети. При работе терминала в фазе «продолжения» осуществляется не только прослушивание контрольного канала системы когнитивного радио, который называют внеполосным, но и контрольного канала конкретной системы радиодоступа, называемого внутриполосным. Рисунок 2.5 - Процесс работы терминала с контрольным каналом Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 34

На рисунке 2.5 представлены основные фазы взаимодействия терминала с контрольным каналом, учитывая взаимодействие с внеполосным и внутриполосным контрольным каналом. Таким образом существует несколько способов, которыми можно организовать когнитивную систему. Способы организации в свою очередь должны выбираться исходя из типа местности, плотности населения, финансовых возможностей и многих других критериев, о которых будет сказано далее. 2.5. Перспективные стандарты, разрабатываемые для когнитивных радиосистем Главными первопроходцами в области исследования CR принято считать Митолу и Магуайра с их оригинальной работой, выпущенной в 1999. Однако, существовали и более ранние исследования в области измерения спектра, проводимые в 1995, в которых определялась количественная оценка использования спектра в имеющих и не имеющих лицензию частотных полосах. В Соединенных Штатах исследования CR были сосредоточены на динамическом спектральном доступе (DSA) и повторном использовании спектра как главных целях начальных исследований. Наиболее известным проектом в области управления использования спектра и стратегических исследований был XGпроект, финансируемый управлением перспективных исследовательских программ DARPA. Главной целью проекта XG было изучение так называемых стратегических серверов и технологии вторичного использования частот, в частности, для военных целей. Ранний успех XG проекта подтолкнул сообщество к тому, чтобы изучить возможности CR в более широком смысле. Еще одним стимулом для исследований стали заявления ученых, таких как Lessig, Reed, и Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 35

Peha, которые указали на то, что существуют недостатки в существующем распределении частотных полос между различными операторами. В области стандартизации образовались три главных группы, которые продолжили работать с соответствующими технологиями и архитектурами: IEEE 802.22 и SCC41 формально P1900) и позднее Технический реконфигурируемым радиосистемам CR и SDR ETSI. омитет по роме того, обсуждение SDR в промышленной группе изучало также некоторые вопросы, связанные с CR. Фактически, наиболее передовой деятельностью по стандартизации, занималась группа IEEE 802.22. Данная группа также занималась исследованием, которое должно было обеспечивать динамический доступ к свободному ТВ спектру. Новый стандарт IEEE региональных сетей 802.22 был спроектирован для беспроводных Wireless Regional Area Network, WRAN) [16]. Это предполагает покрытие зон радиусом в десятки километров. Спецификация позволяет провайдерам интернет-услуг обеспечить жителям сельских районов доступ к широкополосному доступу в Сеть там, где его еще нет. Увеличение радиуса действия удалось достичь благодаря уменьшению рабочих частот, обычно используемых в Wi-Fi, WiMax или LTE для передачи информации. Подбор оптимальных частот зависит от многих факторов. Для обеспечения наибольшей дальности с сохранением разумной мощности и приемлемой полосы пропускания лучшим образом подошли частоты диапазона от 54 до 862 МГц, так называемые телевизионные частоты. Ширина полосы одного телевизионного канала в США, Японии и большей части Центральной и Южной Америки составляет 6 МГц, для России и большинства других стран эта величина равна 8 МГц, но встречаются также стандарты с 7-мегагерцовой полосой, например в Австралии, Бельгии и Люксембурге. Поэтому в 802.22 предполагается использовать ширину полосы одного канала в 6 8,7) МГц [17]. Существующая система телевещания может служить примером успешного использования этого диапазона для покрытия больших площадей. Изм. Лист № докум. Подпись Дата тому же 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 36

данным частотам не страшны стены и препятствия. Однако в использовании ОВЧ/УВЧ есть и недостаток: меньшие частоты длинные волны) нуждаются в более габаритных антенных системах. роме повсеместно используемых систем аналогового телевидения NTSC США, анада, Япония), PAL Европа), SECAM Франция, Греция, Россия) диапазон официально закреплен за радиосвязью государственных служб полиции, противопожарной службы и т. д.) и коммерческих сервисов такси и т. д.). В данной полосе также работают беспроводные микрофоны, системы цифрового телевидения ATSC/DVB-T и различные иные устройства, работе которых не должна мешать данная технология. Стандарт 802.22 является первым в мире стандартом, использующим когнитивные технологии для совместного использования оптимального частотного диапазона и не требует оформления лицензий на использование определенных частот. Также в настоящее время существуют или разрабатываются и другие стандарты, такие как: IEEE 802.11af. Начало разработки – январь 2010 г. Основная цель – адаптация семейства стандартов IEEE 802.11 к ТВ-полосам частот [18]. При этом вопросы работы данных устройствс базой данных для реализации механизма геолокации находятся вне рамок стандарта. Рассматриваются два возможных варианта использования устройств данного стандарта: • внутри помещения с дальностью менее 100 м аналогично существующим WLAN); • вне помещений с дальностью работы не более 5 км. Стандарт IEEE 802.11af оценивается как наиболее обещающий, поскольку в его разработке активно участвуют производители чипов. ак ожидается, сертификация устройств по данному стандарту начнется уже в ближайшее время . Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 37

IEEE 802.16h. Первоначально нацеленный на адаптацию стандарта IEEE 802.16 к полосе частот 3650–3700 МГц, данный стандарт в настоящее время адаптируется и к ТВ-полосам частот [19]. Стандарт ECMA-392. для персональных/портативных устройств, функционирующих в «белых пятнах» частотно-территориального ресурса White Space Devices, WSD). Описывает физический уровень PHY) и уровень MAC, включая протокол обмена и механизмы обеспечения совместимости. Оборудование на базе данного стандарта может вскоре появиться на рынке, однако при этом нельзя не отметить, что ECMA-392 является закрытым стандартом, а значит, число производителей оборудования будет ограничено. 2.6. Функциональная совместимость когнитивных радиосистем ак было сказано ранее, CR системы – это высокоскоростные беспроводные платформы, способные к автономному изменению своих рабочих параметров, основанных на окружающей их обстановке. Следовательно, у CR систем есть потенциал, чтобы произвести революцию в области беспроводных сетей. Например, CR системы позволяют радиостанциям, работать с различными протоколами и стандартами, чтобы взаимодействовать друг с другом. Этот принцип известен как функциональная совместимость. роме того, CRs способны к передаче сигналов в незанятом спектре, при минимизации взаимных помех с другими устройствами в соответственной спектральной близости; то есть могут обеспечить DSA – динамический доступ к спектру. На сегодняшний день, множество стандартов беспроводной мобильной связи, приложений, и услуг используются в различных секторах современного общества, а так же как в пределах специальных государственных служб, таких как вооруженные Изм. Лист силы, № докум. органы Подпись Дата государственной безопасности, и аварийно- 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 38

спасательные службы. Вследствие этого, использование множества потенциально несовместимых стандартов связи в пределах некоторой области могут серьезно повлиять на эффективность координации операционных процессов. Например, эффективность аварийно-спасательных служб, во время устранения последствий урагана атрина в Новом Орлеане в течение августа 2005 была сильно затруднена из-за неспособности развернутого в широком диапазоне коммуникационного оборудования взаимодействовать друг с другом, особенно в пределах действия децентрализованной окружающей радиообстановки, которая показана в таблице 1, где члены различных ведомств используют коммуникационные стандарты, несущие частоты которых отличаются друг от друга и вследствие этого затрудняют коммуникационные процессы между ними. Таблица 2.1 - Пример использования службами различных частот в пределах одной и той же географической области и различных потенциально несовместимых стандартов связи. Государственные ведомства Используемые стандарты Служба спасения А Полиция Б Армия В Таким образом, если различные службы не будут скоординированы относительно операционных параметров и коммуникационных стандартов друг относительно друга, эффективная коммуникация между ними будет практически невозможна. Тем не менее, существуют некоторые причины, почему такие отрасли как вооруженные силы и государственная безопасность все еще используют относительно широкий диапазон для своих коммуникационных решений, такие как необходимость в значительных финансовых инвестициях и конкретных Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 39

требованиях к рабочим характеристикам устройств. Системы CR в свою очередь обладают потенциалом, чтобы минимизировать затруднения относительно коммутации между различными отраслями, использующими различное оборудование и различные стандарты связи. Благодаря своей способности быстро принимать любую доступную радиоконфигурацию, платформы CR могут перенастраивать себя под любой, даже устаревший коммуникационный стандарт предыдущих поколений связи, для того, чтобы взаимодействовать с любыми системами местной связи или облегчить связи между двумя платформами не использующими технологии CR, но в то же время использующих различные стандарты связи. роме того, CR система с ее встроенным искусственным интеллектом может автоматически распознавать различные стандарты связи при отсутствии любого централизованного контроля из вне. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 40

ОСОБЕННОСТИ 3 РЕАЛИЗАЦИИ КОГНИТИВНОГО РАДИО 3.1. Определение оптимального метода для достижения множественного доступа С увеличением спроса на дополнительную пропускную способность для поддержания существующих и внедрения новых услуг организации по распределению спектральных ресурсов и коммуникационным технологиям ищут возможные решения для очевидного решения проблемы с дефицитом спектра. В то же время, измерительные исследования показали, что большая часть имеющего лицензию спектра является относительно неиспользованной относительно времени и частоты. Однако, текущие нормативные требования запрещают нелицензированную передачу в этих частотных областях, ограничивая их. Для обеспечения необходимой полосы пропускания, требующейся для текущих и будущих беспроводных услуг и приложений, необходимо провести работу над концепцией о неимеющих лицензию вторичных пользователях, «заимствующих» спектр у лиц, имеющих лицензию на данную спектральную область – первичных пользователях. Данный подход к спектральному использованию известен как динамический доступ к спектру. С учетом последних разработок в технологиях CR, для этих систем стало возможным одновременно соблюсти права обладающих лицензией пользователей, обеспечивая при этом дополнительную гибкость и доступ к спектру. роме того, существует участки спектра, которые являются незанятыми в течение существенного промежутка времени, что делает их подходящими кандидатами Изм. Лист № докум. для вторичного Подпись Дата использования неимеющими лицензии 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 41

беспроводными устройствами в рамках DSA. Однако, получая доступ к таким незанятым частотным диапазонам, вторичное беспроводное устройство должно гарантировать, что оно не мешает функционированию устройства основного пользователя. Вмешательство или интерференция может произойти в том случае, когда излучения вторичного устройства вне частотного диапазона (OOB) превышают допустимые уровни, загрязняя передачу устройства первичного пользователя если они расположены относительно близко друг друга в частотной области. Одновременно, учитывая изменяющуюся во времени природу беспроводной сети передачи данных, спектр, который может быть незанятым в один момент времени, потенциально мгновенно может стать занятым в следующий момент времени. Следовательно, платформа CR должна быть осведомлена и быть способной к мгновенной реконфигурации, для того, чтобы предотвратить вмешательство вторичного пользователя в передачу данных основного пользователя, тем самым не создавая для него никаких неудобств. Для достижения высокой спектральной эффективности, методы множественного доступа могут использоваться таким образом, что несколько вторичных пользователей смогут передавать данные в пределах одного и того же самого диапазона частот. Для достижения множественного доступа вторичных пользователей наиболее перспективным является метод OFDM, который используется во всех разрабатываемых передовых стандартах когнитивных радиосистем. Важно отметить, что OFDM используется также в цифровых системах ТВ вещания, что делает его привлекательным для использования когнитивными системами в данном частотном диапазоне [20]. Относительно методов на основе OFDM, спектральное объединение может быть эффективно использовано, когда данные передаются через незанятые участки частоты с использованием множества активных поднесущих. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 42

3.2. Преимущества метода OFDM Применение мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов для когнитивного радио создает новые аспекты при проектировании систем. После того, как необходимая информация становится доступной, решающее устройство может сделать вывод о том, какое направление действий будет лучшим для системы. Решение включает в себя выбор подходящего канального кодирования, модуляции, рабочих частот и пропускной способности. На данном этапе, технология мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов берет верх над другими аналогичными технологиями передачи с её адаптивными возможностями и большой гибкостью. Путем изменения только параметров конфигурации, когнитивная система может взаимодействовать с различными технологиями радиодоступа в окружающей среде, или может оптимизировать передачу в зависимости от характеристик среды. Также OFDM проявляет себя с сильной стороны в некоторых требованиях, необходимых для когнитивных радиосистем, которые представлены в таблице 11. Таблица 3.1 - Преимущества OFDM для когнитивного радио Требования Преимущества OFDM Спектральное Присущие операции БПФ в OFDM облегчает считывание спектра в зондирование частотной области. Эффективное Форма волны может быть легко сформирована простым использование спектра отключением некоторых поднесущих, при существовании первичных пользователей. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 43

Окончание таблицы 3.1 Адаптируемость OFDM- системы могут быть адаптированы к различным условиям передачи и имеющимся ресурсам. Некоторые параметры включают в себя: размер БПФ, интервал поднесущих, вид модуляции, способ кодирования. Методы Multiple-Input Multiple-Output MIMO) со множеством Передовые технологии антенн выходов и множеством входов обычно используются в OFDM , главным образом, из-за уменьшенной сложности эквализации . OFDM также поддерживает интеллектуальные антенные технологии. Совместим с беспроводными локальными сетями WLAN) ( IEEE 802.11 ) , WMAN (IEEE 802.16 ) . WRAN ( IEEE 802.22 ) , WPAN ( Функциональная совместимость IEEE 802.15.3a ) все они используют OFDM в качестве своих методов на физическом уровне PHY, достижение совместимости становится легче по сравнению с другими технологиями . Поддержку многопользовательского доступа уже унаследовали Множественный доступ системы путем присвоения групп поднесущих различным и спектральное пользователям OFDMA) распределение Иммунитет к NBI затрагивает лишь некоторые поднесущие в системах OFDM. узкополосной Эти поднесущие могут быть просто выключены. интерференции Исходя из этого метод OFDM является наиболее перспективным для технологий когнитивного радиодоступа. Также он интересен для рассмотрения с точки зрения того, что он уже используется в цифровых системах ТВ вещания, что дополнительно облегчает внедрение когнитивных устройств в полосу частот, выделенную для телевидения. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 44

3.3. Проблемы, связанные с регулированием когнитивного доступа к спектру Чтобы лучше понять динамику, которая задает рынку направление в сфере распределения спектральных ресурсов, важно отметить, что предложение спектра ограничено, в то время как спрос на спектр постоянно увеличивается. Этот постоянно увеличивающийся спрос основан на четырех факторах, которые сосредоточены на удовлетворении личных человеческих или общественных потребностей. Эти потребности включают ненасытную человеческую тягу к общению с другими всеми доступными способами и во всех доступных формах голос, текст, музыка, видео, а также получать информацию о кажущемся бесконечном разнообразии тем. омпании требуют непрерывного повышения эффективности при проведении сделок, на которых основывается их бизнес и информацию об их клиентах, партнерах, и поставщиках, чтобы улучшить понимание того, как их продукты и услуги могут быть лучше оптимизированы, чтобы удовлетворить потребности клиента и увеличить собственную прибыль. Военные и аварийные службы нуждаются в информировании в реальном времени, чтобы лучше планировать, координировать, оценивать и предотвращать различные негативные ситуации. Наконец, правительство и неправительственные организации социального обеспечения и общеобразовательные организации стремятся улучшить свою эффективность и эффективность предоставления своих услуг [21]. Четыре элемента можно охарактеризовать как: Приложения. оличество и разнообразие различных радио-приложений, фактически неограниченных по своему функционалу, развивается огромными темпами и проникает в каждую сферу человеческой деятельности. Например, к ним относят: широковещательные коммуникации -телевидение, радио, коммерческие коммуникации - аварийно-спасательные службы, индустриальные Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 45

коммуникации и средства управления флотом, аэронавигационные коммуникации, военные коммуникации, персональные коммуникации - сотовые телефоны, беспроводные сети, спутниковые коммуникации. Покрытие. Необходимость предоставлять услуги постоянно увеличивающейся аудитории и устранять любые пространственные ограничения в использовании приложений. Рабочий цикл. Самыми популярными из этих приложений человек будет пользоваться все большее количество времени, в конечном счете он станет практически круглосуточно на связи со всем миром. Ярким примером тому служат социальные сети. Предоставление. Мало того, что приложения развертываются все более широкой аудитории и используются все более продолжительные промежутки времени, спрос на постоянно увеличивающийся уровень производительности для популярных приложений требуют увеличения выделенной спектральной полосы пропускания, так как существует прямая корреляционная зависимость между выделенной полосой пропускания и устойчивой скоростью передачи данных, которую может поддерживать канал. В самой простой форме это описывается формулой Найквиста: C = 2B (для двоичных сигналов) (3.1) C = 2B (для двоичных сигналов) (3.2) или C = 2B log2 (M) (для многоуровневых сигналов), (3.3) где C – пропускная способность, B - полоса пропускания, а М является количеством сигнальных уровней. Основываясь на фундаментальном экономическом законе спроса и предложения, с ограниченным предложением спектра и постоянно увеличивающимся спросом на этот спектр, ценность спектра увеличивается и Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 46

продолжит повышаться; и это повышение будет непосредственно связано с увеличивающимися требованиями. Также, неудивительно, что весь радиочастотный спектр был полностью поделен и распределен в течение некоторого промежутка времени. Поэтому, с появлением новых приложений создаются трудности в выделении спектральной полосы для занятия этими приложениями. акое – то время спектрально ресурса было достаточно для того, чтобы каждое отдельное приложение могло быть закреплено за какой-либо уникальной полосой частот. Позже, регулирующие оценочные органы были обязаны признать, что существующее распределение приложений должно быть изменено, перемещено, или существенно сокращена занимаемая им спектральная полоса, которая могла бы оптимально использоваться существующими приложениями [22]. Это, безусловно, чрезвычайно трудная задача. Эта возрастающая сложность является основной движущей силой двух доминирующих тенденций, которые изменили условия управления и распределения спектра с начала 1980-ых. Первое, как уже было упомянуто, а именно, переход правительством на новую систему распределения спектральных ресурсов называемую аукционами. Этот рыночный подход в настоящее время расширяется, чтобы юридические лица, которые получили спектральные ресурсы, могли перепродать или сдавать в аренду эти ресурсы другим на долгосрочной или кратковременной основе. При использовании таких методов предполагалось, что рынки должны двигаться в направлении тех пользователей, которые больше других ценят предоставляемый им спектр, тем самым потенциально минимизируя неэффективное использования либо простаивание без дела определенных полос частот. Регуляторы также отложили в сторону увеличение количество спектра для нелицензированного доступа, иногда также известного как освобожденного от лицензии или свободного для пользования спектра. Эти спектральные группы не лицензируют ни для каких юридический лиц, но они доступны всем, кто подходит Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 47

под правила доступа, которые, преимущественно, ограничивают уровни мощности устройств, чтобы минимизировать вероятность помех. Такие группы оказались очень ценными для использования, такими технологиями как WiFi, Bluetooth, помечающего радио (RFID), и широким диапазоном потребителей продуктов для собственных домов, таких как дистанционное открывание дверей гаража, радионянь и других. Наиболее широко используемая группа для не имеющих лицензию устройств в США расположилась в 2.4 ГГц диапазоне, но многочисленные новые группы в 5-6 ГГц теперь стали доступны во всем мире для новых приложений. Основываясь на предложениях, описанных ранее, важно рассмотреть вопросы регулирования и доступные варианты решения возможности когнитивного доступа к спектру. ак было обсуждено ранее, в каждом государстве доступ к спектральным областям предоставляют специальные национальные государственные органы. Регулирующие органы обеспечивают выдачу лицензий или освобождают конкретные типы устройств от необходимости иметь лицензии. Следовательно, когнитивный доступ в коммерческом спектре считается незаконным, до тех пор, пока он не будет включен регулирующими органами в списки устройств с определенными условиями использования, при которых мог бы быть развернут этот вид технологии. Регулирующие органы могут применять множество различных подходов к вопросам когнитивного доступа, включая: ■ Решение не допускать данные устройства к использованию. ■ Предоставление возможности текущим владельцам лицензий позволять когнитивный доступ в их собственных частотных диапазонах, если те, в свою очередь, пожелают это сделать. ■ Лицензирование когнитивного доступа для определенных полос частот. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 48

■Освобождение когнитивных устройств от необходимости в лицензировании с соответствующими ограничениями на их использование. Подход, который выбирает каждый регулирующий орган, во многом зависит от некоторой степени философии собственника спектра, и в некоторых случаях исполнения законных прав на осуществление его использования [23]. Первое решение, на которое следует обратить внимание это то, является ли регулирующее вмешательство уместным и законным. Некоторые могли бы утверждать, что спектр – это собственность государства и только оно решает, каких дополнительных пользователей включать в ту или иную полосу частот. Другие могли бы считать, что купив региональную или национальную лицензию, оператор вправе распоряжаться своей частью спектра как он желает, в том числе сдавать его в субаренду или предоставлять право доступа другим пользователям. Регулирующие органы, которые склоняются к абсолютным правам владельца собственности, позволили бы держателям лицензий сдавать спектр в субаренду или распоряжаться им как они того пожелают. Те же, кто предпочитает государственную модель, будут склонны к лицензированию любых пользователей спектра, а тех, кто им пользуется неактивно лишать лицензий или сокращать выделяемые им полосы. Также имеют место быть различные интерпретации для различных диапазонов частот. Например, во многих странах телевизионные передатчики лицензируются на географической основе, с лицензией, которая выдается на отдельные телевышки. Результатом этого является то, что существуют географические области между вышками, где существуют участки спектра не лицензированные ни для кого и это часто называют пробелом или белым пятном. Этот не находящийся в собственности спектр можно использоваться по-разному, потому что не существует владельца, с кем пользователи пробела могли бы заключить сделку, кроме, возможно, регулирующих государственных органов. Следовательно, для таких участков спектра могли бы ожидаться различные Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 49

решения, по сравнению со спектром, который лицензируется на региональном или национальном уровнях. На практике, немногие в настоящее время представляют себе, что пользователи когнитивных технологий могут успешно вести переговоры о доступе к спектру от имеющих лицензию пользователей. Имеющие лицензию пользователи, несомненно, потребуют некоторой компенсации для обеспечения этого права, которая увеличила бы трудности в создании деловых документов для ситуаций использования когнитивного доступа. Имеющий лицензию пользователь мог бы также решить, что деловые и технические риски слишком высоки или усилия, для предоставления кому-либо своей части спектра неоправданно завышены. Тем не менее, окончательным решением обладают государственные органы, которые будут решать, разрешать ли когнитивный доступ к участкам спектра или нет. Данные органы должны выбрать наиболее выгодный и полезный для своей страны способ распределения этих ресурсов. Но, на этой ранней стадии развития когнитивного доступа, не совсем ясно, как скоро это произойдет. Поскольку имеется большое количество сторонников данной технологии, то лицензирующие органы также способствуют продвижению решений по данной проблеме. Тем не менее, это измениться в будущем и для разных диапазонов частот могут быть приняты разные подходы. 3.4. Определение правил использования когнитивных устройств Если регулирующие органы примут решение позволить использовать когнитивный доступ к особой группе частот, то, возможно, телевизионные частоты станут следующим шагом на пути установления правил их использования. Регулирующие органы стремятся разработать правила входа, Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 50

которые гарантируют очень низкую вероятность помех, создаваемых для имеющих лицензию пользователей спектральных полос, в то же самое время создавая минимум ограничений для когнитивных устройств. Регулирующим органам также стоит сосредоточиться на потенциальной интерференции между когнитивными устройствами, так как объемы их использования увеличиваются. Избегание интерференции в принципе является очень сложной технической проблемой. Например, если когнитивные устройства будут основаны на технологии, которая измеряет существующие уровни мощности сигнала, чтобы определить, используется ли конкретный канал в настоящее время, то регулирующие органы должны определить те уровни, при которых устройству следует считать канал свободным, чтобы гарантировать низкую вероятность помех [24]. Следовательно, определение пороговых значений уровня сигнала является достаточно сложной задачей для когнитивных устройств, поскольку существует ряд трудностей, которые влияют на корректность определения уровня сигнала. Эти различия зависят от местных условий, существования различных динамических преград – движущиеся крупногабаритные объекты, которые кратковременно блокирует сигнал, затрудняя правильность его приема и других факторов. аждая отдельная ситуация представляет особое пространство, время, и частоту, отличающиеся друг от друга, затрудняя любое определение сигнала. Вместо этого широко распространены измерения и моделирования кампаний, которые часто используются, чтобы получить наилучшую оценку на основе понимание возможного диапазона мощности сигнала в определенной географической области. Все это, как правило, считается довольно спорным. Должностные лица вынуждены будут искать максимальные уровни защиты от помех и, следовательно, моделировать возможные ситуации, где проблема скрытых узлов или другие проблемы модификации сигнала являются чрезвычайными. Даже Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 51

урегулирование соответствующего уровня вероятности появления помех может быть чревато трудностями. роме того, необходимо принятие множества других правил, в том числе определения максимально возможной мощности сигнала в определенной частотной полосе, пределы внеполосной мощности сигналов, полосы пропускания, управления мощностью передатчика, периодичность сканирования диапазонов и многих других. Однако, они могут быть значительно упрощены, поскольку они являются главным образом теми параметрами, к которым регулирующие органы обращаются для каждой отдельной группы или технологии, которую они рассматривают. 3.5. Нормативно-правовые положения различных методов когнитивного доступа На сегодняшний день были предложены три обширные технологии, для определения свободных от использования полос. Это технологии измерения чувствительности к изменениям уровня мощности сигналов, зондирование спектра, и геолокационные технологии, которые могут использоваться как по отдельности так и в сочетании с другими, чтобы достичь желаемого уровня уверенности в достижении низкого уровня помех и высокой эффективности. Географические базы данных Альтернативным вариантом сканирования радиочастотной окружающей обстановки для когнитивного устройства, чтобы точно определять его местоположение и иметь доступ к базе данных с перечисленными частотами, которые позволено использовать в различных местоположениях, являются базы данных для определенных территорий. Это позволяет преодолеть нормативно – правовые вопросы, связанные с определением пороговых значений мощности сигналов, но приводит к другим регулирующим вопросам, таким как: Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 52

■С какой точностью устройство должно знать свое местоположение? ■ то будет поддерживать базы данных? Будет ли это один поставщик для всех диапазонов или же это будут отдельные базы данных для определенных групп? акие коммерческие договоренности возможны при этом? Могут ли возникнуть монополистические проблемы? ■ акая степень доступности необходима для баз данных? ■ ак будут обновляться версии баз данных? ак часто они должны это делать? акая нагрузка на спектр может быть в результате? ■Что можно сказать о динамическом использовании спектра, которое применяется только иногда? Использование баз данных действительно обладает одним интересным преимуществом для регулирующих органов: способность контролировать нелицензируемые устройства таким образом, который был невозможен прежде. Так, например, регулирующие органы, которые желают удалить все когнитивные устройства от полосы в определенной местности, могут легко сделать это, установив все частоты в базе данных как занятые. огнитивные устройства тогда станут неспособны передавать информацию на этой географической местности. В качестве альтернативы, регулирующие органы могут выделить когнитивным устройствам свободный спектр или контролировать определенные типы когнитивных устройств, осуществляя реализацию различных правил для устройств с различными возможностями [25]. Принцип спектрального зондирования Такой подход требует передачи сигнала от некоторой соответствующей инфраструктуры, которая будет предоставлять информацию о доступных частотах для когнитивных устройств, находящихся в непосредственной близости. огнитивные устройства настраиваются на этот канал и используют информацию, при условии выбора ими соответствующей частоты. Данный принцип можно рассматривать как централизованную базу данных, с таким Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 53

выбором местоположения, чтобы существовала возможность достигать определенных источников передачи. Если когнитивное устройство по каким-либо причинам становится неспособным найти маяк, то самым безопасным вариантом для него станет прекратить любую передачу информации, так как эта передача может быть в области покрытия маяка, но в то же время не будет им приниматься, что может привести к различного рода помехам. В то время как данный способ способен решить проблему с определением свободных спектральных полос на определенной прилегающей к нему территории, он также создает большое количество проблем другого рода: ■ то будет предоставлять сигнал с радиомаяка? ак предоставить коммерческие договоренности, и если будет существовать только один поставщик, создадутся ли проблемы конкуренции или монополизации? ■ ак информация о лицензированных частотах будет обновляться на радиомаяках, особенно в тех случаях, когда лицензированные услуги быстро меняются? ■ акой спектр будет выделен для радиомаяков? ■ акие технические параметры и протоколы будут использоваться передатчиком радиомаяка? ■ ак предотвратить распространение сигнала от радиомаяка за пределы территории, отведенной для него, тем самым предотвратить помехи в соседних с ним секторах? И наоборот, как удостовериться, что он будет доступен для всех когнитивных устройств в целевой области? ■Должно ли быть количественное разделение радиомаяков для отдельных диапазонов частот или же возможно применение одного маяка для всех частотных групп, в которых разрешен когнитивный доступ? ■Является ли приемлемой для использования когнитивных устройств ситуация, когда радиомаяк выходит из строя или прекращает передачу на какойлибо промежуток времени? Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 54

Данный подход является достаточно сложным в реализации и создает большое количество трудностей. Частично основанный на этих вопросах подход размещения радиомаяков не произвел большой интерес на регулирующее сообщество и до настоящего времени вопросы по данным проблемам малоисследованы на регулирующем уровне. 3.6. Принципы использования высвобожденного спектра Рассматривая варианты будущего использования полос частот для получения освобожденного спектра и оценивая будущие потребности в спектре для использования радиовещательными и подвижными службами, целесообразно сосредоточиться на создании эффективной среды передачи, доступной для населения в целом, а особенно – для людей, проживающих в районах с низкой плотностью населения. При определении потребностей в радиочастотном спектре для использования радиовещательными и подвижными службами следует иметь в виду, что в районах с низкой плотностью населения одни типы контента эффективнее передавать по радиовещательным каналам, а другие – по каналам подвижной связи. Следует продолжать развитие радиочастотного спектра для радиовещательных служб, с тем чтобы обеспечить возможность доставки контента с использованием различных технологий радиосвязи. Существуют некоторые принципы, придерживаться которых необходимо для эффективного использования освободившегося радиочастотного ресурса. Принципы рационального использования высвобожденного частотного ресурса представлены в таблице 3.2: Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 55

Таблица 3.2 - Принципы рационального использования высвобожденного частотного ресурса. Принцип Группа Описание Ограничение Технические Радиочастотный ресурс – это ограниченный высвободившегося принципы природный частотного ресурса ресурс, характеристик. Это обладающий значит, рядом что в определенных случаях например, в случае освобождения в полос ТВ спектре) невозможно удовлетворить все потребности рынка услуг электросвязи в радиочастотном спектре. Отсюда необходимость в совместном использовании ресурса различными службами электросвязи или в распределении высвободившегося радиочастотного ресурса более важной службе Требование обеспечения Технические электромагнитной совместимости принципы Распределение спектра различным службам радиосвязи обусловливает необходимость ЭМС) в обеспечении ЭМС между радиочастотными между радиоэлектронными устройствами различных служб электросвязи. устройствами Несоблюдение различных служб электросвязи принципов ЭМС может привести к снижению качества обслуживания вплоть до полной невозможности оказания услуг Требование Изм. координации Технические Радиочастотный ресурс одной и той же между соседними странами принципы полосы частот может использоваться в разных в вопросах использования странах различными службами электросвязи. высвободившегося В частности, высвобожденный спектр можно радиочастотного ресурса использовать для цифрового телевидения Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 56

Продолжение таблицы 3.2 (DTV) и систем С этим IMT. связана необходимость координировать планирование использования цифрового на граничащих соседних дивиденда между собой территориях стран. Несоблюдение этих принципов может повлечь те же проблемы, что и несоблюдение принципов ЭМС Ограничение действия сроков Регуляторные Этот лицензий принципы принцип ограниченности является частотного следствием ресурса. Его на использование необходимо учитывать в процессе принятия радиочастотного ресурса решений о распределении спектра, составляющего спектр для использования в ТВ секторе, поскольку ограниченность ресурса стимулирует конкуренцию на рынке электросвязи, а также разработку и внедрение новых технологий электросвязи Предоставление права Регуляторные Соблюдение этого принципа необходимо доступа к радиочастотному принципы для осуществления государственных спектру всем потребителям функций, таких как национальная оборона, с учетом государственных обеспечение законности и порядка, а также приоритетов управление операциями при бедствиях. роме того, этот принцип обеспечивает реализацию социального права на равный доступ к услугам электросвязи Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 57

Продолжение таблицы 3.2 Необходимость внедрения Регуляторные Разработка новых технологий принципы радиосвязи государственной политики по внедрению новых технологий радиосвязи, более эффективно использующих радиочастотный ресурс, – ключевой фактор, способствующий ресурсов, высвобождению например, как высвобожденный в ТВ частотах спектр. роме таких, новых того, новые технологии способствовать появлению новых которые услуг, могут принципиально невозможны при имеющихся технологиях Необходимость внедрения Регуляторные Этот принцип следует из предыдущего. Рынок новых услуг электросвязи принципы услуг электросвязи растет быстрыми темпами, и следует поощрять появление на нем новых видов услуг, которые способствуют усилению конкуренции и более эффективному использованию радиочастотного спектра Обеспечение конкурентной Социальносреды на рынке Рыночная конкуренция услуг экономически использования электросвязи е принципы радиочастотного государственных за право ограниченного ресурса с учетом приоритетов и ограниченности срока действия лицензий на радиочастоты способствует соблюдению принципа необходимости внедрения новых и модернизации нынешних технологий электросвязи Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 58

Окончание таблицы 3.2 Важность общественных Социально- потребностей в спектре Этот принцип следует из принципа экономические государственных приоритетов и необходим принципы для предоставления различных услуг электросвязи в условиях неравного доступа и спроса на них, то есть неравномерного развития рынков различных услуг электросвязи Неравномерность развития Социальнорынков различных услуг экономические электросвязи принципы Неравный доступ к услугам электросвязи цифровой разрыв) на различных может уровнях: проявляться межстрановом страны с лучшим доступом к услугам против стран с худшим доступом к услугам), внутристрановом территории внутри страны с лучшим доступом к услугам против территорий с худшим доступом), а также на уровне село–город. Учитывая это, можно сказать, приоритета является что следствием общественных необходимость принципа потребностей удовлетворения потребностей рынка услуг электросвязи на различных уровнях, в том числе на уровне регионов и административных районов Необходимость Социально- Этот результирующий принцип вытекает из удовлетворения экономические того, что при принятии распределении, электросвязи на различных следует уровнях максимальной социально - экономической стремиться в ТВ о потребностей рынка услуг принципы выгоды спектра решений частотах к получению от использования высвобождающегося частотного ресурса Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 59

Соблюдение изложенных принципов позволит рационально использовать высвободившийся частотный ресурс для достижения основной цели управления использованием спектра – получению максимальной социально-экономической выгоды от использования радиочастотного спектра в условиях отсутствия помех. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 60

4 АНАЛИЗ СПЕКТРА ЭФФЕКТИВНОСТИ В СИСТЕМАХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕЛЕРАДИОВЕЩАНИЯ БЕЛГОРОДСКОГО РЕГИОНА 4.1. Анализ эффективности использования спектра в системах телерадиовещания Белгородского региона Электромагнитный спектр, и в особенности так называемая радиочастотная составляющая часть этого спектра, быстро становятся одними из самых ценных природных ресурсов нашей планеты. У спектра нет никакой физической формы, спектр не обеспечивает население питанием, и не является источником энергии, но все же он рассматривается как достаточно ограниченный и ценный ресурс, за который фактически борются огромное количество различных операторов мобильной связи по всему миру. Радиочастотная составляющая спектра является частью общего электромагнитного спектра, который простирается примерно от нуля до почти 3 × 10^27 Гц циклов в секунду). В этом широком диапазоне, диапазон примерно от 10 кГц до 300 ГГц обычно описывается как радиочастотный спектр, нижние границы которого относят к ультразвуковым, а верхние к СВЧ [26]. Предложение использовать «интеллектуальные функции» радиоэлектронных средств РЭС) для оптимального выбора радиоинтерфейса и приложений, выдвинутое в 1998 г. американским исследователем Джозефом Митола Joseph Mitola), в настоящее время практически может быть реализовано в телевизионных полосах частот. Связано это, с одной стороны, с особенностями частотного планирования наземных сетей ТВ-вещания, когда существует возможность между мощными ТВ-станциями дополнительно устанавливать маломощные РЭС, а с другой стороны – с внедрением цифрового вещания, Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 61

имеющего более высокую помехоустойчивость по сравнению с аналоговым вещанием и, соответственно, позволяющего эффективнее расходовать радиочастотный спектр РЧС). Введение когнитивного радио в полосе частот телевещания стало более актуальным после перехода на систему цифрового телевещания. Таким образом, часть спектра, в виду большей спектральной эффективности цифровой технологии, была высвобождена. Для рассмотрения была выбрана западная часть Белгородской области с диапазоном УВЧ с занимаемой полосой радиочастот 470-790 МГц, т.е. IV и V диапазоны телевизионного вещания, занимающие 39 каналов ТВ начиная с 21 и заканчивая 60 [27]. ТВ 60- 69 не рассматривались, так как в России данный диапазон частот 791-862 МГц отведен для использования LTE сетей. В настоящее время в западной части Белгородской области работает два частотных мультиплекса, каждый из которых занимает полосу в 8 МГц. Рисунок 4.1 - Организация цифрового наземного телевещания в западной части Белгородской области 1 мультиплекс. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 62

Таблица 4.1 - Объекты цифрового вещания пакета РТРС-1. Пункт установки № Район п/п объекта ТВК цифрового Центральная частота, МГц Мощность передатчика, кВт вещания 1 Грайворонский Грайворон 43 650 1,000 3 Шебекинский Шебекино 43 650 0,100 Ломово 43 650 0,500 Ракитное 43 650 5,000 14 Белгородский Белгород 43 650 5,000 15 Прохоровский 43 650 1,000 орочанский 9 13 Ракитянский ожанов 17 Ивнянский Ивня 43 650 0,250 18 Борисовский Борисовка 43 650 0,250 43 650 0,250 20 Белгородский Нехотеевка Первый мультиплекс занимает полосу, исходя из таблицы частот телевизионных радиоканалов для 43 ТВ , равную 8 МГц в диапазоне 646,0 654,0МГц. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 63

Рисунок 4.2 - Организация цифрового наземного телевещания в западной части Белгородской области 2 мультиплекс. Таблица 4.2 - Объекты цифрового вещания пакета РТРС-2. Пункт установки № п/п Район объекта ТВК цифрового Центральная частота, МГц Мощность передатчика, кВт вещания 1 Белгородский Белгород 46 674 5,000 Второй мультиплекс занимает полосу, исходя из таблицы частот телевизионных радиоканалов для 46 ТВ , равную 8 МГц в диапазоне 670,0 - 678,0 МГц В перспективе рассматривается создание третьего мультиплекса который будет располагаться на частотах 39 ТВ . Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 64

На данный момент в Белгородском районе сохраняется также и аналоговое телевещание, список каналов и соответствующих частот которого представлен в таблицах 4.3 и 4.4 [28]: Таблица 4.3 - ТВ вещание аналоговых телеканалов. Пункт установки Район объекта Мощность ТВК Название передатчика, вещания кВт Белгородский Белгород 27 НТВ 1 Белгородский Белгород 29 Россия /Euronews 1 Белгородский Белгород 34 Матч ТВ 0,5 Белгородский Белгород 37 СТС 0,4 Белгородский Белгород 39 Домашний / Мир 1 Белогорья Белгородский Белгород 41 анал Disney Белгородский Белгород 44 ТВЦ 0,5 Белгородский Белгород 47 Че 0,1 Белгородский Белгород 50 Звезда 1 Белгородский Белгород 59 Пятый канал 1 1 Таблица 4.4 Соответствие частотных диапазонов для аналоговых ТВК. анал Изм. Лист Полоса частот радиоканала, МГц ТВ 27 518,0 - 526,0 ТВ 29 534,0 - 542,0 № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 65

Окончание таблицы 4.4 ТВ 34 574,0 - 582,0 ТВ 37 598,0 -606,0 ТВ 39 614,0 - 622,0 ТВ 41 630,0 - 638,0 ТВ 44 654,0 - 662,0 ТВ 47 678,0 - 686,0 ТВ 50 702,0 - 710,0 ТВ 59 774,0 - 782,0 Исходя из представленных данных, можно вычислить: общую полосу, выделенную для ТВ вещания; полосу, занимаемую цифровым вещанием; полосу, занимаемую аналоговым вещанием; свободную полосу, доступную для использования когнитивными устройствами. Зная, что выделенная для ТВ вещания полоса ДМВ IV начинается с ТВ 21 на частоте 470 МГц, и заканчивается в ДМВ V ТВ 60 на частоте 790 МГц, можно вычислить размер общей выделенной для ТВ вещания полосы: , где полосы частот, общая выделенная полоса, (4.1.) – верхняя граница выделенной нижняя граница выделенной полосы частот. 790 – 470 = 320 (МГц) Зная, что цифровое вещания насчитывает 2 мультиплекса, которые занимают полосы по 8 МГц каждый, найдем размер полосы, занимаемой цифровым телевещанием: , где полоса, занимаемая цифровым вещанием, цифровых мультиплексов, Изм. Лист № докум. Подпись (4.2.) – количество полоса, занимаемая одним мультиплексом. Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 66

= 2 8 = 16 (МГц) Зная, что аналоговое вещание до сих пор сохраняется и каждый канал в нем занимает полосу в 8МГц, найдем общий размер полосы, занимаемый аналоговым ТВ вещанием: , где (4.3.) полоса, занимаемая аналоговым вещанием, аналоговых каналов, – количество полоса, занимаемая одним аналоговым каналом. 10 8 = 80 (МГц) Зная общий размер используемых полос для цифрового и аналогового ТВ вещания, а также размер выделенной для этих целей полосы, найдем свободную полосу, которая может быть доступна для использования когнитивными устройствами: , где (4.4.) свободная незанятая полоса, которая может быть доступна для использования когнитивными устройствами. 320 – 80 – 16 = 224 (МГц) Также можно определить доступные для использования каналы и, соответственно, диапазоны незанятых частот, которые представлены в таблице 4.5. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 67

Таблица 4.5 - Полосы частот доступные для нелицензионного использования в Белгородском районе на данный момент. анал Частоты, МГц 21-26 470-518 28 526-534 30-33 542-574 35-36 582-598 38 606-614 40 622-630 42 638-646 45 662-670 48-49 686-702 51-58 710-774 60 782-790 Общее число свободных каналов 28 В перспективе полного перехода на цифровое телевещание, с появлением третьего мультиплекса свободная полоса способна увеличиться до 296 МГц, и количество свободных каналов увеличится до 37 за счет отключения аналогового вещания. На рисунке 4.3 красным цветом показаны занятые каналы, зеленым свободные на текущий момент каналы, желтым - освобождающиеся в случае полного перехода на цифровое телевидение каналы. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 68

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 Рисунок 4.3 – Занятые, свободные, освобождающиеся каналы. роме этого, также существуют профилактические работы на передающем цифровом и аналоговом радиотелевизионном оборудовании Белгородского ОРТПЦ, даты и время которых на 2016 год представлены в таблице 4.6: Таблица 4.6 - График плановых остановок технических средств теле- и радиовещания филиала РТРС "Белгородский ОРТПЦ" на 2016 год. Наименование программы Дата Продолжительность Объект вещания начало конец Январь Пакет РТРС1 (первый мультиплекс) Пакет РТРС- 18.янв Все задействованные цифровые передатчики 2:00 4:59 2 (второго мультиплекса) Цех Белгород, Цех Валуйки, Цех "Первый канал" Старый Оскол, РРс "Алексеевка", РРС 18.янв "Россия 1" "Волоконовка", РРС "Зимовное", РРС 2:00 11:45 "Новый Оскол", РТС "Ракитное", РТС "Старая Безгинка", РТС "Грайворон" Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 69

Окончание таблицы 4.6 Цех Белгород, Цех Валуйки, Цех «Петербург-5 канал» 18.янв Старый Оскол, РРс "Алексеевка", РРС "Волоконовка", РРС «Новый Оскол», 2:00 11:45 РТС «Ракитное», РТС «Грайворон» 18.янв Цех Белгород, РТС "Белый олодезь", 2:00 6:59 20.янв РТС "Ракитное",Цех Старый Оскол 2:00 9:59 «НТВ» 20.янв Цех Белгород, РТС "Вейделевка" 3:00 10:00 «ТВ Центр» 20.янв 2:00 12:00 "Матч ТВ" 20.янв 2:00 10:00 2:00 9:00 2:00 10:00 2:00 14:00 2:00 4:59 «Россия- » Цех Белгород, РРС "Алексеевка", РТПС "Валуйки", РРС "Волоконовка" Цех Белгород «СТС» «Че» «Дисней» «Звезда» 20.янв Цех Белгород «ТВ 3» «ТНТ» Апрель Пакет РТРС1 (первый мультиплекс) Пакет РТРС- 18.апр Все задействованные цифровые передатчики 2 (второй мультиплекс) Цех Белгород, Цех Валуйки, Цех "Первый канал" Старый Оскол, РРс "Алексеевка", РРС 18.апр "Россия 1" "Волоконовка", РРС "Зимовное", РРС 2:00 11:45 "Новый Оскол", РТС "Ракитное", РТС "Старая Безгинка", РТС "Грайворон" Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 70

Окончание таблицы 4.6 Цех Белгород, Цех Валуйки, Цех «Петербург-5 канал» 18.апр Старый Оскол, РРс "Алексеевка", РРС "Волоконовка", РРС «Новый Оскол», 2:00 11:45 РТС «Ракитное», РТС «Грайворон» 18.апр Цех Белгород, РТС "Белый олодезь", 2:00 6:59 20.апр РТС "Ракитное",Цех Старый Оскол 2:00 9:59 «НТВ» 20.апр Цех Белгород, РТС "Вейделевка" 3:00 10:00 «ТВ Центр» 20.апр 2:00 12:00 "Матч ТВ" 20.апр 2:00 10:00 2:00 9:00 2:00 10:00 2:00 14:00 2:00 4:59 «Россия- » Цех Белгород, РРС "Алексеевка", РТПС "Валуйки", РРС "Волоконовка" Цех Белгород «СТС» «Перец» «Дисней» «Звезда» 20.апр Цех Белгород «ТВ 3» «ТНТ» Июль Пакет РТРС1 (первый мультиплекс) Пакет РТРС- 18.июл Все задействованные цифровые передатчики 2 (второй мультиплекс) Цех Белгород, Цех Валуйки, Цех "Первый канал" Старый Оскол, РРс "Алексеевка", РРС 18.июл "Россия 1" "Волоконовка", РРС "Зимовное", РРС 2:00 11:45 "Новый Оскол", РТС "Ракитное", РТС "Старая Безгинка", РТС "Грайворон" Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 71

Окончание таблицы 4.6 Цех Белгород, Цех Валуйки, Цех «Петербург-5 канал» 18.июл Старый Оскол, РРс "Алексеевка", РРС "Волоконовка", РРС «Новый Оскол», 2:00 11:45 РТС «Ракитное», РТС «Грайворон» 18.июл Цех Белгород, РТС "Белый олодезь", 2:00 6:59 20.июл РТС "Ракитное",Цех Старый Оскол 2:00 9:59 «НТВ» 20.июл Цех Белгород, РТС "Вейделевка" 3:00 10:00 «ТВ Центр» 20.июл 2:00 12:00 "Матч ТВ" 20.июл 2:00 10:00 2:00 9:00 2:00 10:00 2:00 14:00 2:00 4:59 «Россия- » Цех Белгород, РРС "Алексеевка", РТПС "Валуйки", РРС "Волоконовка" Цех Белгород «СТС» «Перец» «Дисней» «Звезда» 20.июл Цех Белгород «ТВ 3» «ТНТ» Октябрь Пакет РТРС1 (первый мультиплекс) Пакет РТРС- 17.окт Все задействованные цифровые передатчики 2 (второй мультиплекс) Цех Белгород, Цех Валуйки, Цех "Первый канал" Старый Оскол, РРс "Алексеевка", РРС 17.окт "Россия 1" "Волоконовка", РРС "Зимовное", РРС 2:00 11:45 "Новый Оскол", РТС "Ракитное", РТС "Старая Безгинка", РТС "Грайворон" Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 72

Окончание таблицы 4.6 Цех Белгород, Цех Валуйки, Цех «Петербург-5 канал» 17.окт Старый Оскол, РРс "Алексеевка", РРС "Волоконовка", РРС «Новый Оскол», 2:00 11:45 РТС «Ракитное», РТС «Грайворон» 17.окт Цех Белгород, РТС "Белый олодезь", 2:00 6:59 19.окт РТС "Ракитное",Цех Старый Оскол 2:00 9:59 «НТВ» 19.окт Цех Белгород, РТС "Вейделевка" 3:00 10:00 «ТВ Центр» 19.окт 2:00 12:00 "Матч ТВ" 19.окт 2:00 10:00 2:00 9:00 2:00 10:00 2:00 14:00 «Россия- » Цех Белгород, РРС "Алексеевка", РТПС "Валуйки", РРС "Волоконовка" Цех Белгород «СТС» «Перец» «Дисней» «Звезда» 19.окт Цех Белгород «ТВ 3» «ТНТ» Учитывая плановые профилактические работы, на определенное, заранее известное время освобождаются представленные в таблице 4.7. следующие каналы в 2016 году: Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 73

Таблица 4.7 - Плановые профилактические работы и освобождающиеся частоты. ТВК Частота, Дата Время плановых Продолжительность МГц проведения остановок нахождения в работ телевещания незанятом состоянии частотной полосы 18.янв/ 43/ 646-654/ 18.апр/ 46 670-678 18.июл/ 2:00-4:59 3 часа 2:00-11:45 9 часов, 45 минут 17.окт 18.янв/ 59 18.апр/ 774-782 18.июл/ 17.окт 29 374-382 18.янв/ 2:00-6:59/ 20.янв/ 2:00-9:59/ 18.апр/ 2:00-6:59/ 20.апр/ 2:00-9:59/ 5 часов/ 18.июл/ 2:00-6:59/ 8 часов 20.июл/ 2:00-9:59/ 17.окт/ 2:00-6:59/ 19.окт 2:00-9:59 20.янв/ 27 20.апр/ 518-526 3:00-10:00 7 часов 2:00-12:00 10 часов 20.июл/ 19.окт 20.янв/ 44 20.апр/ 654-662 20.июл/ 19.окт Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 74

Окончание таблицы 4.7 20.янв/ 34 20.апр/ 574-582 2:00-10:00 8 часов 2:00-9:00 7 часов 2:00-9:00 7 часов 2:00-10:00 8 часов 2:00-14:00 12 часов 20.июл/ 19.окт 20.янв/ 37 20.апр/ 598-606 20.июл/ 19.окт 20.янв/ 47 20.апр/ 678-686 20.июл/ 19.окт 20.янв/ 41 20.апр/ 630-638 20.июл/ 19.окт 20.янв/ 50 20.апр/ 702-710 20.июл/ 19.окт Однако не стоит забывать, что проведение плановых профилактических работ не означает, что каналы все это время свободны. Они могут быть свободны, а могут использоваться оператором для различных проверок и настроек. Таким образом, существует значительное число каналов, которые остаются незадействованными в некоторых географических зонах в определенное время. Эти каналы создают так называемые «белые пятна» в ТВ спектре: часть спектра в полосе радиочастот, которая распределена радиовещательной службе и используется для телевизионного вещания и которая определяется администрацией как доступная для беспроводной связи в данный момент времени Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 75

и в данной географической зоне при условии не создания помех и отсутствия требований по защите от помех в отношении других служб радиосвязи с более высоким приоритетом на национальной основе, которые могут быть использованы менее мощными устройствами, по сравнению со станциями цифрового телевещания [29]. Учитывая точное знание времени и диапазона освободившихся частот, появляется возможность использовать спектр с максимально возможной эффективностью. Однако стоит отметить, что окончательный свод правил и рекомендаций по использованию белых пятен еще не сформирован, поэтому использование белых пятен носит локальный и исследовательский характер. Переход от аналогового наземного телевидения к цифровому привел к появлению значительных высвободившихся неиспользуемых участков в выделенной для ТВ сектора полосе радиочастот. Несмотря на то, что в разных регионах и районах эта высвобожденная полоса представляется по-разному, перед мировым сообществом электросвязи стоит общая задача – поиск оптимальных способов ее использования. Таким образом, для формирования условий для использования когнитивных устройств в ТВ частотах необходима полная замена текущего набора аналоговых отключить телевизионных аналоговое программ телевизионное цифровыми, радиовещание и позволяющая оптимизировать использование телевизионного спектра. Более того, для успешной оптимизации использования радиочастотного спектра наземным цифровым телевизионным радиовещанием потребуется пересмотр или изменение планов частот наземного телевизионного радиовещания и соответствующая модернизация передающих сетей наземного цифрового телевизионного радиовещания. Завершение этой работы будет ключевым условием формирования условий для внедрения когнитивных устройств. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 76

Однако, необходимо помнить, что на сегодняшний день еще остаются практически нерешенные и не имеющие экономически выгодного решения проблемы обеспечения совместимости новых служб, например, подвижной службы с существующими службами, такими, как службы телевизионного радиовещания, работающими в соседних или перекрывающихся полосах частот в разных странах или регионах. 4.2. Оценка потенциально достижимой пропускной способности системы когнитивного радио Спектральная частотная) эффективность цифровой системы определяется, как   R / BW , b (4.5) где R - скорость передачи информации, бит/с; B - полная полоса частот W b канала, Гц. Измеряется спектральная эффективность числом битов в секунду, приходящихся на 1 Гц полосы канала, то есть бит/ с Гц). В реальных условиях доступная полоса канала B по тем или иным W причинам может использоваться не полностью, поэтому даже достаточно эффективная система передачи в ее конкретном применении по данному критерию оценки будет выглядеть неэффективной [30]. роме того необходимо уточнить критерий спектральной эффективности, связав его с полосой Найквиста B N и коэффициентом скругления спектра  , значение которого характеризует расширение практически занимаемой спектром сигнала полосы частот канала сверх полосы Найквиста B : N Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 77

B  B (1   ) . L N (4.6) Соответственно реальная спектральная эффективность  различных схем модуляции, предназначенных для цифровой передачи, выражается формулой   R / BL  R / BN (1   ) . b b (4.7) В идеальном случае при полном использовании всей полосы частот канала, когда B = B , показатели эффективности  и  совпадают, то есть  =  . W L Целесообразно ввести также критерий потенциальной спектральной эффективности конкретного метода модуляции, который соответствует коэффициенту  или  при B = B и  = 0. W L Определим потенциальную эффективность как  R /B 0 b N . (4.8) Отсюда следует, что    / (1   ) или    (1   ) . 0 0 (4.9) При использовании многопозиционной цифровой модуляции R  log (M) R 2 S b (4.10) где M - число элементов пространства сигналов при цифровой модуляции; R S - скорость передачи символов цифрового потока. Согласно критерию Найквиста максимальная скорость передачи символов в полосовой системе численно равна R  B (1   ) W S (4.11) Следовательно, при B = B : W L Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 78

  log (M) / (1   ) (4.12) 2 Отсюда следует, что для повышения спектральной эффективности необходимо учитывать кратность модуляции log (M) и одновременно снижать 2 значение коэффициента скругления спектра  , тем самым увеличивая крутизну среза спектра модулирующего сигнала. Но использование малых  требует разработки сложных цифровых фильтров, а на приеме отсчеты сигнала в решающем устройстве становятся в большей мере подвержены временному джиттеру. Дополнительно к этому возрастает чувствительность к нелинейным искажениям в тракте, которые проявляются в снижении раскрыва глазка принимаемого сигнала. Поэтому существует мнение, что при массов производстве радиоприемных устройств минимальное значение  должно быть равно 0,3. Для достижения максимальной помехоустойчивости в реальных условиях значение должно лежать в пределах от 0,4 до 0,6. Для систем с модуляцией OFDM эффективность передачи определяется как   2 / (1   / L) (4.13) где L - число параллельно передаваемых в системе с OFDM потоков данных не число ортогональных поднесущих). Формула (13) показывает, что увеличение числа параллельных каналов данных приводит к высоким значениям эффективности  без снижения коэффициента скругления спектра  , что и является одним из преимуществ модуляции OFDM. Однако при недостаточной помехозащищенности канала связи приходится снижать кратность модуляции и повышать избыточность из-за увеличения доли символов корректирующего кодирования, при этом соответственно снижается пропускная способность и, как следствие, падает спектральная эффективность. В Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 79

зависимости от кратности модуляции и кодовых скоростей, значения спектральной эффективности и предельная скорость передачи информации могут изменяться в очень широких пределах, что продемонстрировано в таблице 4.8. для некоторых типичных случаев использования иерархической модуляции в канале с полосой 8 МГц. Таблица 4.8 - Спектральная эффективность QPSK, 16-QAM, 64-QAM для канала 8МГц. Модуляция Изм. Лист одовая скорость Скорость Спектральная передачи данных, эффективность, Мбит/с бит/ с Гц) QPSK 1/2 4,54 0,62 QPSK 2/3 6,05 0,83 QPSK 3/4 6,81 0,93 QPSK 5/6 7,56 1,04 16-QAM 1/2 9,08 1,22 16-QAM 2/3 12,10 1,66 16-QAM 3/4 13,61 1,87 16-QAM 5/6 15,13 2,07 64-QAM 1/2 13,61 1,87 64-QAM 2/3 18,15 2,49 64-QAM 3/4 20,42 2,80 64-QAM 5/6 22,69 3,11 № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 80

Зная скорость передачи данных для одного канала с полосой 8 МГц, можно определить суммарную пропускную способность для 28 свободных каналов на текущий момент, а также для 37 каналов соответственно, с учетом полного перехода на цифровое телевещание и открытием третьего мультиплекса. Полученные данные продемонстрированы в таблице 4.9: Таблица 4.9 – Суммарная пропускная способность для свободных каналов. Суммарная пропускная способность Модуляция Скорость одовая скорость свободных каналов, Мбит/с передачи данных, Мбит/с Текущая С полным переходом на ЦТВ QPSK 1/2 4,54 128,58 163,44 QPSK 2/3 6,05 163,35 217,80 QPSK 3/4 6,81 183,87 245,16 QPSK 5/6 7,56 204,12 272,16 16-QAM 1/2 9,08 245,16 326,88 16-QAM 2/3 12,10 326,70 435,60 16-QAM 3/4 13,61 367,47 489,96 16-QAM 5/6 15,13 408,51 544,68 64-QAM 1/2 13,61 367,47 489,96 64-QAM 2/3 18,15 490,05 653,40 64-QAM 3/4 20,42 551,34 735,12 64-QAM 5/6 22,69 612,63 816,84 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 81

При увеличении кратности модуляции увеличивается спектральная эффективность, но в то же время падает помехозащищенность, что приводит к возрастанию минимально допустимого соотношения сигнал/шум и увеличению количества символов корректирующего кодирования. При использовании помехоустойчивого кодирования часть пропускной способности расходуется на проверочные или избыточные символы. Этот параметр задается кодовой скоростью (Coding Rate). Множество применимых кодов позволяет обеспечить требуемый компромисс между спектральной и энергетической эффективностями в каждой конкретной ситуации. Были рассмотрены 12 комбинаций из трех модуляций (QPSK, QAM-16, QAM-64) и четыре кодовые скорости (1/2, 2/3, 3/4, 5/6), которые могут быть адаптивно выбраны для достижения различных задач, в зависимости от состояния окружающей радиообстановки и помех. Данные типы модуляции наиболее часто используются в цифровых системах ТВ вещания, а также именно на них построен один из передовых стандартов когнитивных технологий IEEE 802.22. Вкупе с достаточным количеством свободных каналов и использованием данных видов модуляций когнитивные системы радиосвязи способны выполнить гибкий выбор их использования с учетом влияния различных задержек распространения сигнала, помех и состояния окружающей радиообстановки, тем самым обеспечив эффективное использование спектральных ресурсов. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 82

Рекомендации 4.3. по практической части реализации дополнительных исследований. Помимо спектральной эффективности существуют также энергетическая эффективность и потенциальная помехоустойчивость, а также некоторые другие значимые параметры для когнитивных систем и конструкций. Однако для их определения требуются значительные вычислительные, временные и финансовые ресурсы. роме этого, на данном этапе развития когнитивных устройств довольно проблематичным представляется дать качественную оценку этим параметрам. Тем не менее, в интересах повышения эффективности использования радиочастотного спектра необходимо создать опытную сеть когнитивной радиосвязи с выделением специальной полосы частот для проведения анализа основных характеристик и функциональных возможностей оборудования когнитивной системы, проверки основных режимов работы оборудования, а также измерения основных технических характеристик и защитных отношений при помехах, создаваемых когнитивными устройствами системам приема программ ТВ вещания. Необходимо определить условия совместного использования РЭС когнитивного радио в полосе частот 470-790 МГц и РЭС наземного ТВ вещания, определить ЭМС в соседних РЧ каналах. Определить перечень основных технических данных для формирования базы данных для управления устройствами когнитивных систем, разработать алгоритм функционирования базы данных. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 83

5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ 5.1. Планирование работ по исследованию Для реализации исследования понадобятся следующие специалисты: - старший научный сотрудник заведующий лабораторией), осуществляющий общее руководство исследованием; - младший научный сотрудник, проводящий разработку, исследование, необходимые расчеты, составляющий техническую документацию на исследование; - экономист, дающий экономическую оценку исследования. Расчет сроков проведения и трудоемкости представлен в таблице 5.1: Таблица5.1 - Планирование работ по исследованию Наименование этапов работ 1 1.1.Сбор информации 1.2.Выработка идеи 1.3.Определение объема исследовательских работ 1.4.Составление плана исследования Изм. Лист № докум. Подпись Исполнитель 2 1.Подготовительный Младший научный сотрудник Старший научный сотрудник 3 Продолжи тельность, дней 4 24 40 3 5 Младший научный сотрудник 32 4 Старший научный сотрудник 8 1 Дата Трудоем кость, час 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 84

Окончание таблицы 5.1 1.5.Формирование исследовательской работы 1.6.Обработка и анализ информации Итого: 2.1.Обоснование целесообразности работы 2.2.Выполнение работы Младший научный сотрудник 80 10 Младший научный сотрудник 72 9 256 32 2.Основной экономический анализ) Старший научный сотрудник 24 3 Младший научный сотрудник 24 3 48 6 3.Заключительный Экономист 24 3 Старший научный сотрудник 16 2 40 5 Итого: 3.1.Технико-экономическое обоснование 3.2.Оформление и утверждение документации Итого: Результатом планирования является расчет трудоемкости исследования по часам и количеству дней. Определена численность штата производственного персонала, необходимого для проведения исследования. 5.2. Расчет расходов на оплату труда на исследование. Расчет расходов на оплату труда разработки исследования представлен в таблице 5.2. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 85

Таблица 5.2 - Расчет расходов на оплату труда Должность Трудоемкость, Оклад, час руб 2 3 Старший научный сотрудник 88 37455 Младший научный сотрудник 232 22365 Экономист 24 21255 Итого: 344 81075 Исполнителей 1 Часовая тарифная ставка ЧТС) рассчитывается по формуле: Ч ТС  Р (5.1) F мес где Fмес – фонд рабочего времени месяца, составляет 176 часов 22 рабочих дня по 8 часов в день); Р – оклад сотрудника. Для нахождения расхода на оплату труда РОТ) была использована формула 23: Р Ч * Т сум ОТ ТС (5.2) где ТСУМ – суммарная трудоемкость каждого из исполнителей. Результаты расчетов сведены в таблицу 5.3: Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 86

Таблица 5.3 - Расчет расходов на оплату труда Должность Трудоемкость, Оклад, ЧТС, РОТ, час руб руб/час руб 2 3 4 5 88 37455 212 18656 232 22365 127 29364 Экономист 24 21255 120 2880 Итого: 344 Исполнителей 1 Старший научный сотрудник Младший научный сотрудник 50900 5.3. Расчет продолжительности исследования Согласно расчетам трудоемкость исследования составила 344 часа. Продолжительность исследования составит: Т иссл  Т сум / Т РД (5.3) где ТСУМ = 344 часа суммарная трудоемкость исследования ТРД = 8 часов – продолжительность рабочего дня ТИССЛ = 344/8 = 43 дня. Продолжительность исследования составляет 43 дня, расчет производится без учета выходных и праздничных дней. 5.4. Расчет стоимости расходных материалов В таблице 5.4 приведён перечень расходов на приобретение основных материалов необходимых для проведения исследования. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 87

Таблица 5.4 - Стоимость расходных материалов Наименование расходных Цена за единицу, Количество, Сумма, материалов руб. шт. руб. 1 Бумага анцтовары Расходные материалы для 2 3 4 250 4 1000 760 - 760 2900 - 2900 принтера картридж) Итого: 4660 Из таблице 13 видно, что для проведения исследования потребуются расходные материалы на сумму 4660 рублей. 5.5. Расчет сметы расходов на исследование. В данной главе рассчитаны общие расходы на разработку и проведение исследования. В статьи расходов включены премиальные зарплаты, районный коэффициент и страховые взносы. Для оценки затрат на исследование была составлена смета на разработку и проведение исследования. Произведем расчет расходов: Премиальные выплаты рассчитывались по формуле: ПВ  Р К ОТ ПВ где ПВ (5.4) - коэффициент премиальных выплат, составляет 35 %, в случае если премии не предусмотрены ПВ=1. ПВ = 50900∙0,35=17815 руб. Дополнительные затраты на проведение исследования определялись как: Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 88

З где ДОП (5.5) Р К ОТ - коэффициент дополнительных затрат =15%). ЗДОП = РОТ · 15 %. ЗДОП =50900·0.15=7635 руб. Общие расходы на оплату труда были вычислены по формуле: Р  Р  ПВ  З общ ОТ ДОП (5.6) где РОТ - основная заработная плата; ПВ - премиальные выплаты; ЗДОП дополнительные затраты. Σ РОТ =50900+17815+7635 Σ РОТ =76350 руб. Из таблицы 10 берется итоговая сумма стоимости расходных материалов. Σ РРМ =4660 руб. Страховые взносы рассчитывались по формуле: СВ  Р 0,3 ОТ (5.7) СВ =50900·0.30=15270 руб. Амортизационные исчисления на использование компьютера вычислялись аналогично выражению 6). В данном примере они составляют 15% от стоимости компьютера. АО  С Изм. Лист № докум. Подпись Дата ПК 0,15 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР (5.8) Лист 89

АО = 65000·0.15=9750 руб. Расходы на использование Интернета брались из расчета двух месячных абонентских плат для предприятия. РИНТ=4000 руб. Административно-хозяйственые расходы составляют 20% от основной заработной платы РОТ). Р АХ (5.9)  Р 0,2 ОТ РАХ=50900·0.2=10180 руб. Результаты расчета расходов сведены в таблицу. Смета расходов на разработку и проведение исследования представлена в таблице 5.5. Таблица 5.5 - Смета расходов на разработку и проведение исследования Наименование статей расходов 1 1.Стоимость расходных материалов 2. Расходы на оплату труда 2.1. Основная заработная плата 2.2. Дополнительные затраты 2.3. Премиальные выплаты 3. Единый социальный налог 4. Амортизационные исчисления на использование компьютера 5. Расходы на использование Интернет 6.Административно-хозяйственные расходы Итого: Изм. Лист № докум. Подпись Дата Сумма, руб. 2 4660 76350 50900 7635 17815 15270 9750 Удельный вес статей, % 3 2.4 39 25.1 3.9 9 7.8 4000 10180 196560 2 5.2 100 5 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 90

Результатом экономической оценки исследования является определение затрат на разработку и реализацию исследования: - продолжительность исследовательских работ составила 43 дня; - сметы расходов на исследование – 196560 рублей. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 91

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Цель работы достигнута. Все задачи выполнены. Проведен анализ тенденций развития систем ШПД, рассмотрены имеющиеся проблемы с распределением спектральных ресурсов в различных государствах и областях с разными плотностями населения. Прослеживаются тенденции повышения пропускных способностей, увеличения скорости передачи данных, появления новых сервисов и приложений, увеличение количества приложений и девайсов, поддерживающих доступ в интернет, что приводит к проблемам поиска новых частотных ресурсов и удовлетворения потребностей населения в широкополосном доступе в сеть Интернет. Одним из возможных решений данных проблем является использование технологии когнитивного радио. огнитивное радио построено на платформе SDR и является одной из наиболее перспективных передовых технологий. Существует несколько способов, которыми можно организовать когнитивную систему. Способы организации в свою очередь должны выбираться исходя из типа местности, плотности населения, финансовых возможностей и многих других критериев. Благодаря своей способности быстро принимать любую доступную радиоконфигурацию, платформы CR могут перенастраивать себя под любой, даже устаревший коммуникационный стандарт предыдущих поколений связи, для того, чтобы взаимодействовать с любыми системами местной связи или облегчить связи между двумя платформами не использующими технологии CR, но в то же время использующих различные стандарты связи. роме того, CR система с ее встроенным искусственным интеллектом может автоматически распознавать различные стандарты связи при отсутствии любого централизованного контроля из вне. Рассмотрен метод OFDM, которые является наиболее перспективным для технологий когнитивного радиодоступа. Также он интересен для рассмотрения с Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 92

точки зрения того, что он уже используется в цифровых системах ТВ вещания, что дополнительно облегчает внедрение когнитивных устройств в полосу частот, выделенную для телевидения. А также рассмотрены перспективные существующие или разрабатываемые стандарты для технологии когнитивного радиодоступа. Проведен анализ важности принятия решений по вопросам распределения спектра государственными органами, которые будут решать, разрешать ли когнитивный доступ к участкам спектра или нет. Данные органы должны выбрать наиболее выгодный и полезный для своей страны способ распределения этих ресурсов. Но, на этой ранней стадии развития когнитивного доступа, не совсем ясно, как скоро это произойдет. Поскольку имеется большое количество сторонников данной технологии, то лицензирующие органы также способствуют продвижению решений по данной проблеме. Тем не менее, это измениться в будущем и для разных диапазонов частот могут быть приняты разные подходы. Также необходимо учесть, что участие всех заинтересованных сторон в перераспределении - это элементарная мера, которая является гарантией успеха. Действительно, жизненно необходимо активное участие в перераспределении всех заинтересованных сторон, с тем чтобы их потребности и проблемы были учтены. Определены проблемы связанные с когнитивным доступом к спектру и возможные варианты их решения. Рассмотрены варианты реализации технологи когнитивного радио с использованием географических баз данных и вариантов спектрального зондирования, выделены преимущества и недостатки каждого из методов. Выделены принципы, которые позволят достигнуть основной цели управления использованием спектра – получения максимальной социальноэкономической выгоды от использования радиочастотного спектра. Важнейшим из которых является непрерывность обслуживания. Перераспределение ни при Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 93

каких обстоятельствах не должно приводить к перебоям в обслуживании абонентов, следовательно, необходимо обеспечить непрерывность предоставления услуг. Для этого необходимо подготовить четкий и детальный план информационной работы с абонентами, а также при необходимости) подробный график замены абонентского оборудования. Проведено исследование эффективности использования частотных ресурсов на примере системы телевещания Белгородского региона. В результате исследования было выявлено, что переход от аналогового наземного телевещания к цифровому привел к появлению значительных высвободившихся неиспользуемых участков в выделенной для ТВ сектора полосе радиочастот. Существует значительное число каналов, которые остаются незадействованными в некоторых географических зонах в определенное время. Эти каналы создают так называемые «белые пятна» в ТВ спектре: часть спектра в полосе радиочастот, используется для которая распределена телевизионного радиовещательной вещания и которая службе и определяется администрацией как доступная для беспроводной связи в данный момент времени и в данной географической зоне при условии не создания помех и отсутствия требований по защите от помех в отношении других служб радиосвязи с более высоким приоритетом на национальной основе, которые могут быть использованы менее мощными устройствами, по сравнению со станциями цифрового телевещания. Важно отметить, что существует довольно много свободных или освобождаемых каналов, которые расположены рядом, что создает возможность использования большее широкой полосы, а следовательно и более широкополосных сигналов. Учитывая точное знание времени и диапазона освободившихся частот, появляется возможность использовать спектр с максимально возможной эффективностью. Однако стоит отметить, что окончательный свод правил и Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 94

рекомендаций по использованию белых пятен еще не сформирован, поэтому использование белых пятен носит локальный и исследовательский характер. Таким образом, для формирования условий для использования когнитивных устройств в ТВ частотах необходима полная замена текущего набора аналоговых отключить телевизионных аналоговое программ телевизионное цифровыми, радиовещание и позволяющая оптимизировать использование телевизионного спектра. Более того, для успешной оптимизации использования радиочастотного спектра наземным цифровым телевизионным радиовещанием потребуется пересмотр или изменение планов частот наземного телевизионного радиовещания и соответствующая модернизация передающих сетей наземного цифрового телевизионного радиовещания. Завершение этой работы будет ключевым условием формирования условий для внедрения когнитивных устройств. Дана оценка потенциально достижимой пропускной способности с использованием различных видов модуляций и различного числа свободных каналов. Рассмотренные типы модуляции наиболее часто используются в цифровых системах ТВ вещания, а также именно на них построен один из передовых стандартов когнитивных технологий IEEE 802.22. Вкупе с достаточным количеством свободных каналов и использованием данных видов модуляций когнитивные системы радиосвязи способны выполнить гибкий выбор их использования с учетом влияния различных задержек распространения сигнала, помех и состояния окружающей радиообстановки, тем самым обеспечив эффективное использование спектральных ресурсов. Предложены рекомендации по практической реализации дополнительных исследований. Произведена экономическая оценка результатов исследования. Стоит отметить, что перераспределение полосы частот 470–790 МГц обеспечит как экономические, так и социальные преимущества. Очевидно, что предоставление Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 95

этой полосы частот для подвижной широкополосной связи обеспечит важные экономические новые лицензии, вклад операторов, уплата сборов и т. д.), а также социальные преимущества универсальное обслуживание, создание рабочих мест, доступ к подвижной широкополосной связи для всех и т. д.). Данные о предоставляемых занятии спектра конструкций должны различными также повысить поставщиками качество беспроводных устройств, поскольку им будет предоставляться более глубокое понимание их целевой спектральной области. Это должно поддерживать улучшенные конструкции и обеспечить способность моделировать и тестировать эти системы с представленными наборами данных, охватывающими использование спектра в полосах частот, которым они адресованы. Это будет особенно ценно для новых когнитивных радио-конструкций с особенно критичными требованиями, которыми они должны обладать, чтобы иметь возможность работать в широком спектральном диапазоне, в конечном счете в динамической окружающей среде использования. Поставщики услуг в беспроводных сетях передачи информации также должны извлечь выгоду из новых способов использования спектра. Это позволит провайдерам более оптимально использовать спектр, которым они управляют, и даст им более глубокое понимание текущего состояния спектра, различные частоты которого они смогут использовать. И, наконец, провайдеры будут теперь иметь необходимую информацию, которая должна помочь им оценить потенциальное влияние динамического доступа к спектру и способы, которые они смогут использовать для развертывания этих сетей, чтобы принять участие в становлении мобильных сетей будущего. В целом, рационализация использования спектральных ресурсов должна обеспечить тот факт, что этот важный природный ресурс действительно будет использован в целях оптимизации общественных интересов. Это должно позволить использовать новые технологии, быстро развертываться новым Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 96

мобильным сетям, чтобы удовлетворить растущие потребности общества в обучении, общении и обмене информацией самых различных форм. Наконец, основанные на оптимальном использовании спектра услуги, должны минимизировать стоимость их предоставления, делая их доступными для более широкой аудитории населения. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 97

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Mishra, Ajay K. Fundamentals of Cellular Network Planning and Optimization, 2G/2.5G/3G…Evolution of 4G - John Wiley and Sons, 2004 — 208 с.; 2. Fumiyuki Adachi, Wireless past and Future: Evolving Mobile Communication Systems- IEICE Trans. Findamental, Vol. E84-A, No.1, January 2001 – pp. 80; 3. Measuring the Information Society; The ICT Development Index// ресурс] [Электронный http://www.itu. int/ITU- D/ict/publications/idi/2009/material/IDI2009_ w5.pdf 4. Pereira, Vasco & Sousa, Tiago. Evolution of Mobile Communications: from 1G to 4G, Department of Informatics Engineering of the University of Coimbra, Portugal 2004 5. Gokul P Nair, Nanocore- A Review on 5G Mobile Communications, in pg. 124-133, ISSN 2320– 088X, International Journal of Computer Science and Mobile Computing, ICMIC13, December- 2013. 6. Dr. Anwar M. Mousa, Prospective of Fifth Generation Mobile Communications, in Vol.4, No.3, International Journal of Next-Generation Networks (IJNGN), September 2012. 7. Sapana Singh &Pratap Singh, Key Concepts and Network Architecture for 5G Mobile Technology, in Volume1 Issue5, International Journal Scientific Research Engineering Technology (IJSRET), August 2012, pp165-170 . 8. Ericsson Mobility Report MWC Edition February 2016, [Электронный ресурс] http://www.ericsson.com/res/docs/2016/mobility-report/ericsson-mobilityreport-feb-2016-interim.pdf 9. Мировой рынок мобильного ШПД, [Электронный ресурс] http://www.tadviser.ru/ Ericsson Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 98

10. V. Bose, A software driven approach to SDR design, COTS Journal, Jan. 2004. 11. J. Chapin and V. Bose, The Vanu software radio system, Software Defined Radio Technical Conference, San Diego, CA, USA, 2002. 12. J. Mitola III, Cognitive radio: An integrated agent architecture for software defined radio. PhD thesis, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm, Sweden, May 2000. 13. M. Nekovee, Dynamic spectrum access—concepts and future architectures, BT Technology Journal, vol. 24, pp. 111–116, May 2006. 14. B. Fette, Cognitive Radio Technology. Boston, MA, USA: Elsevier, 2006 15. An evaluation of software defined radio. [Электронный ресурс] www.ofcom.org.uk/research/technology/research/emer_tech/sdr. 16. Federal Communications Commission, First report and order and further notice of proposed rulemaking in the matter of unlicesed operation in TV broadcast bands. ET Docket No. 04-186, Oct. 2006. 17. Federal Communications Commission, The FCC’s Office of Engineering and Technology release report on tests of prototype white space devices. ET Docket No. 04-186, Oct. 2008. 18. Office of Communications, Digital dividend review, a statement on our approach to awarding the digital dividend. [Электронный ресурс] www.ofcom.org.uk/condocs/ddr/statement, Dec.2007. 19. Office of Communications, Digital dividend: Cognitive access. [Электронный ресурс] www.ofcom.org.uk/consult/condocs/cognitive, Feb. 2009. 20. C. Cordeiro, K. Challapali, D. Birru, and S. Shankar, IEEE 802.22: An introduction to the first wireless standard based on cognitive radios, Journal of Communications, vol. 1, no. 1, pp. 38–47, 2006. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 99

21. D. Scaperoth, B. Le, T. Rondeau, D. Maldonado, C. W. Bostian, and S. Harrison, Cognitive radio platform development for interoperability, in Military Communications Conference, Oct. 2006. 22. I. F. Akyildiz, W. Y. Lee, M. C. Vuran, and S. Mohanty, NeXt generation/dynamic spectrum access/cognitive radio wireless networks: A survey, Elsevier Computer Networks Journal, vol. 50, pp. 2127–2159, Sept. 2006. 23. A. Petrin, Maximizing the utility of radio spectrum: Broadband spectrum measurements and occupancy model for use by cognitive radio. PhD thesis, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, USA, July 2005. 24. U. S. Jha and R. Prasad, OFDM towards Fixed and Mobile Broadband Wireless Access. London, UK: Artech House, 2007. 25. M. Wellens, J. Wu, and P. Mahonen, Evaluation of spectrum occupancy in indoor and outdoor scenario in the context of cognitive radio, in Proceedings of the Second International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communications, pp. 420–427, Aug. 2007. 26. The European table of frequency allocations and applications in the frequency range 8.3 kHz to 3000 GHz (ECA TABLE), [Электронный ресурс] http://www.erodocdb.dk/docs/doc98/official/pdf/ERCRep025.pdf Цифровое 27. ТВ в Белгородском регионе, [Электронный ресурс]http://belgorod.rtrs.ru/dtv/ Аналоговое ТВ в Белгородском регионе, [Электронный ресурс] 28. http://ru.tvpedia.wikia.com/wiki/ 29. Alard M., Lassalle R., Principles of modulation and channel coding for digital broadcasting for mobile receivers. – EBU review – Technical. August 1987. №224 30. Зюко А.Г., Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации – М.: Радио и связь. 1985. Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11070006.11.03.02.105.ПЗВКР Лист 100

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв