Telekomunikacja bezprzewodowa staje przed nowym wyzwaniem, jakim jest wprowadzenie w życie idei wszechobecnej komunikacji, tj. możliwości szybkiej komunikacji o wysokiej jakości w dowolnym miejscu, czasie i w dowolny sposób (anywhere, anytime, anyhow). Jednocześnie oczekuje się, że stosowane technologie będą służyć zapewnieniu odpowiedniego współdziałania różnych istniejących i przyszłych systemów radiowych. Aby osiągnąć te cele i zapewnić dalszy wzrost rynku telekomunikacyjnego w Polsce, w Unii Europejskiej i na świecie, konieczne jest przesunięcie punktu ciężkości rozwoju telekomunikacji w kierunku nowoczesnych technologii kooperacyjnych, kognitywnych i optymalizacyjnych, zapewniających współpracę systemów radiowych. W artykule przedstawiono koncepcję radia kognitywnego CR (Cognitive Radio), tj. urządzeń i sieci radiowych, mających zdolność detekcji parametrów środowiska radiowego, w tym wolnych zasobów częstotliwości, oraz podejmowania inteligentnych decyzji dotyczących doboru parametrów swojego działania, w szczególności pasma częstotliwości. Techniki radia kognitywnego są intensywnie badane na świecie od około 10 lat. Komisja Europejska od kilku lat finansuje wiele projektów w tym obszarze w ramach 7. Programu Ramowego, a Program Polityki Zarządzania Widmem Radiowym (Radio Spectrum Policy Programme), zatwierdzony 15 lutego 2012 r. przez Parlament Europejski w Artykule 4. wyraźnie zaleca państwom członkowskim wspieranie prac nad dalszym rozwojem technologii radia kognitywnego. Obecnie ciała regulujące przydział widma elektromagnetycznego w Europie i USA podejmują już próby ustanowienia zasad oportunistycznego dostępu do niewykorzystanych zasobów radiowych przez urządzenia radia * Katedra Radiokomunikacji, Politechnika Poznańska, e-mail: hbogucka@et.put.poznan.pl Hanna Bogucka* Radio kognitywne - nowa koncepcja efektywnego wykorzystania zasobów widmowych kognitywnego. Wdrażanie tej technologii przełamuje bariery związa[...]

  Przedstawiono wyzwania stojące przed projektantami przyszłych sieci radiowych piątej generacji (5G) związane z zapewnieniem ich efektywności energetycznej przy jednoczesnej obsłudze wykładniczo narastającego ruchu związanego z mobilną transmisją danych. Omówiono obszary działania umożliwiające zwiększenie tej efektywności, tj. odpowiednie projektowanie, zarządzanie siecią, stosowną architekturę sieci, zarządzanie zasobami radiowymi, optymalizację algorytmów transmisji i działania na poziomie sprzętowym. Przedstawiono też wybrane współczesne wyniki badań w tychże obszarach i wynikające z nich wnioski. Słowa kluczowe: radiokomunikacja, efektywność energetyczna.Jednym z podstawowych wyzwań stojących przed współczesnymi systemami telekomunikacji bezprzewodowej jest ograniczenie energii używanej przez te systemy. Współcześnie wykorzystywane techniki i technologie informacyjne i komunikacyjne (Information and Communication Technologies - ICT) przez swą powszechność i szybki rozwój przyczyniają się do światowej emisji CO2e1) w ok. 3 - 5%, tj. co najmniej w tym samym stopniu, co światowy ruch lotniczy. Tymczasem, zgodnie z analizami Cisco, światowy ruch telekomunikacyjny związany z transmisją danych przez sieć Internet rośnie w postępie geometrycznym, około tysiąckrotnie w każdym dziesięcioleciu [1]. Ruch związany z transmisją danych przez sieci mobilne wzrósł o 74% i osiągnął 3,7 eksabajtów miesięcznie w roku 2015 (jeden eksabajt to miliard gigabajtów). W związku z tym ocenia się, że ten rodzaj ruchu wzrósł ponad 4 tys. razy w ciągu dekady i prawie 400 milionów razy w ciągu ostatnich 15 lat [2] (sieci mobilne przenosiły poniżej 10 gigabajtów miesięcznie w 2000 roku). Przewiduje się, że ten rodzaj ruchu wzrośnie do ok. 30,6 eksabajtów miesięcznie do roku 2020. Z kolei - według raportu Ericsson Mobility Report [3] - już obecnie liczba abonamentów usług radiokomunikacji mobilnej na świecie wynosi 7,4 mld. Do 2021 roku wzrośnie ona do 9[...]

Producenci współczesnych telefonów komórkowych, a także innych urządzeń wykorzystujących do komunikacji technikę bez- przewodową, coraz częściej oferują swoim klientom produkty, które współpracują z wieloma systemami telekomunikacyjnymi. Można więc o nich powiedzieć, że mają charakter wielosystemo- wy. Już dzisiaj typowy telefon komórkowy potrafi wykorzystywać do szeroko pojętej komunikacji bezprze[...]

  W artykule przedstawiono zagadnienie efektywności energetycznej łącza sieci bezprzewodowej. Wyznaczano krzywe efektywności energetycznej w funkcji mocy transmitowanej dla systemu wykorzystującego adaptacyjną modulację oraz adaptacyjne kodowanie kanałowe. Wyniki symulacji wskazują, że istnieje optymalny punkt pracy dla danego łączą, w którym efektywność energetyczna osiąga wartość maksymalną1. 1. WSTĘP Problem zużycia energii w bezprzewodowych sieciach telekomunikacyjnych staje się coraz bardziej istotnym aspektem ich projektowania. Szybki rozwój technologii związanych z ICT (ang. Information and Communication Technologies) w znaczący sposób przyczynił się do zjawiska globalnego ocieplenia. Ponadto powszechnie wiadomo, że więcej niż 3-5% światowej energii zużywa właśnie infrastruktura ICT. W rezultacie oznacza to, że emisja CO2 związana z infrastrukturą telekomunikacyjną jest porównywalna z emisją dwutlenku węgla światowego ruchu lotniczego. Według przewidywań Cisco globalny ruch danych w sieci Internet wzrasta dwukrotnie każdego roku, oznacza to, że w ciągu dziesięciu lat wzrost ten będzie tysiąckrotny [1], co przełoży się na taki sam wzrost zużycia energii. Pierwszym głównym źródłem zużycia energii w systemach komunikacji bezprzewodowej są wzmacniacze mocy sygnału przeznaczonego do transmisji. Jak pokazano w Tabeli 1. od 50 do 80% całkowitej energii zużywanej przez stacje bazowe sieci komórkowych jest zużywane przez wzmacniacze mocy [2]. Podobne wyniki są uzyskiwane dla terminali mobilnych lub dla komunikacji o lokalnym zasięgu np. WLAN (ang. Wireless Local Area Network), w których wzmacniacze mocy są odpowiedzialne za 44% zużycia energii (patrz Tabela 2.) [3]. Dodatkowo należy pamiętać o nieliniowej charakterystyce wzmacniaczy mocy oraz innych elementów elektronicznych znajdujących się na drodze przetwarzania sygnału w łączu radiowym. Elementy nieliniowe zakłócają sygnał o wysokiej amplitudzie chwilowej oraz powoduj[...]

  W pracy przeanalizowano zużycie energii w sieci trzech węzłów realizujących detekcję zajętości pasma i przekazujących stosowną informację do węzła zbiorczego. Wykonano analizę jakości detekcji i zużycia energii dla różnych konfiguracji urządzeń. Pokazano, że wybranie jedynie części urządzeń realizujących tę detekcję pozwala zwiększyć oszczędność energetyczną, przy ryzyku obniżonej jakości detekcji. Badania symulacyjne dowiodły, że liczba węzłów koniecznych do zapewnienia wysokiej jakości detekcji zależy od jakości łącza i odległości od węzła zbiorczego oraz od użytkownika licencjonowanego.1 1. WSTĘP Dynamiczny wzrost liczby urządzeń mobilnych, połączeń przez nie wykonywanych, jak i wzrost liczby użytkowników mobilnych leży u podstaw rosnącego zapotrzebowania na transmisję bezprzewodową. W prognozie firmy Cisco [1] przewiduje sęi , że w latach 2014- 2019 nastąpi dziesięciokrotny wzrost ruchu w sieciach mobilnych. Spowoduje to jednocześnie deficyt pasma radiowego, co jest istotną podstawą poszukiwania nowych sposobów elastycznego i efektywnego wykorzystania tego pasma. U podstaw radia kognitywnego, będącego odpowiedzią na rosnące zapotrzebowanie na zasoby widmowe, leży obserwacja, że obecnie wiele pasm częstotliwości jest zajętych w małym stopniu. Pomiary wykonane w budynku Wydziału Elektroniki i Telekomunikacji Politechniki Poznańskiej wykazały, że dla częstotliwości radiowych z przedziału 75-3000 MHz średnia zajętość pasm wynosi jedynie 27% [2]. W radiu kognitywnym dopuszcza się pożytkowanie pasm przypisanych użytkownikom licencjonowanym (tzw. użytkownikom pierwotnym, ang. Primary User - PU). Użytkownik radia kognitywnego (tzw. użytkownik wtórny SU) jest jednak zobowiązany, aby z wysokim poziomem wiarygodności ocenić czy PU transmituje sygnał w określonym paśmie. Jeśli tak, to transmisja SU jest niemożliwa w tym paśmie, w przeciwnym przypadku, SU może je zająć i rozpocząć transmisję, zapewniając ochronę PU poprzez min[...]

  W artykule przedstawiono model kooperacyjnej detekcji sygnałów, gdzie węzły kognitywne współpracują celem maksymalizacji wiarygodności decyzji o zajętości widma. Zbadano oszczędność energetyczną kooperacyjnej detekcji z udziałem węzłów pośredniczących. W badaniach symulacyjnych sprawdzono wpływ położenia węzła zbiorczego oraz koncentracji węzłów na oszczędność energetyczną. Postarano się odpowiedzieć na pytanie czy stosowanie przekaźników jest oszczędne energetycznie.1 1. WSTĘP Gwałtowny wzrost wolumenu przesyłanych danych w sieciach mobilnych, jak również wzrost liczby urządzeń przenośnych został przedstawiony w prognozie firmy Cisco [1]. Przewiduje się w niej, że w latach 2014- 2019 ilość przesyłanych danych mobilnych wzrośnie niespełna 10 razy a liczba urządzeń transmitujących te dane wzrośnie o 4 miliardy. Wynika z tego ogromny wzrost pojemności sieci, niemożliwy do obsłużenia za pomocą istniejącej infrastruktury oraz aktualnych systemów. Jednym z pomysłów na zapewnienie łączności rosnącej liczbie terminali o rosnących potrzebach jest przydzielenie nowych porcji pasma częstotliwości. Duże nadzieje są wiązane ze Światową Konferencją Radiokomunikacji (WRC) planowaną na listopad 2015 r., na której mogą zostać podjęte decyzje dotyczące alokacji nowych pasm częstotliwości [2]. Szczególnym zainteresowaniem cieszy się decyzja ws. alokacji pasma częstotliwości dla tzw. milimetrowych długości fali tj. w pasmie 60 GHz. Jednakże tak wysoka częstotliwość pozwala na propagację sygnału na nieduże odległości, jej stosowanie jest rozważane przede wszystkim dla komunikacji wewnątrz budynków. Ponadto, wymagana jest poprawa pojemności systemu w paśmie poniżej 6 GHz. Jednym z rozważanych rozwiązań jest idea radia kognitywnego, czyli ponownego wykorzystania niezajętych pasm częstotliwości. W pomiarach widma w zakresie 75 MHz - 3 GHz prowadzonych na Wydziale Elektroniki i Telekomunikacji Politechniki Poznańskiej wykazano, że zajętość p[...]

  Stosowanie modulacji wielotonowej z nieciągłymi blokami zajętych podnośnych, NC-OFDM, wymaga zwiększonej odporności odbiornika na sygnały interferujące o widmie zlokalizowanym w paśmie częstotliwości nie używanym przez podnośne, jednakże obejmowanym przez układy odbiornika. Szczególnie trudna jest synchronizacja w obecności wąskopasmowego sygnału interferującego. W pracy zaproponowano algorytm synchronizacji w czasie i częstotliwości o niskiej złożoności obliczeniowej, odporny na wpływ wąskopasmowych sygnałów interferujących. Wyniki symulacji komputerowych skonfrontowano z wynikami uzyskanymi dla rzeczywistych sygnałów radiowych.1 1. WSTĘP Systematycznie rosnące zapotrzebowanie na szybką i niezawodną komunikację bezprzewodową [1] wymaga wykorzystania co raz szerszych pasm częstotliwości radiowych przez urządzenia telekomunikacyjne. Z uwagi na wiele istniejących licencji w pasmie radiowym do 3 GHz, rozważane jest zajmowanie przez nowe systemy częstotliwości w pasmach wysokich np. 28GHz [2]. Niestety, wiąże się to z istotnym zwiększeniem tłumienia propagacyjnego. Drugim rozwiązaniem, jest zwiększenie efektywności wykorzystania widma elektromagnetycznego dla niższych częstotliwości. Pomiary wykazały, że niewielki procent licencjonowanych zasobów widmowych w danym miejscu i czasie jest faktycznie w użyciu [3],[4]. Osiągnięcie wysokich efektywności widmowych wymaga jednak dynamicznego współdzielenia zasobów widmowych z użyciem systemu radia kognitywnego [5] i odpowiednio elastycznej warstwy fizycznej. Ciekawym rozwiązaniem jest metoda multipleksacji/ modulacji wielotonowej z nieprzyległymi podnośnymi NC-OFDM (ang. Non-Contiguous Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Wykorzystuje ona wąskopasmowe podnośne ortogonalne, które są modulowane symbolami danych lub też symbolami zerowymi w zależności od zajętości danego zakresu częstotliwości przez sygnał systemu licencjonowanego. Pozwala to osiągnąć wysoką efektywność wykor[...]

  ENERGY EFFICIENCY MAXIMIZATION OF THE OFDM LINK WITH ADAPTIVE MODULATION AND CODING Streszczenie: W niniejszym artykule rozważano efektywność energetyczną (EE) systemu OFDM z adaptacyjną modulacją oraz adaptacyjnym kodowaniem. Dzięki szczegółowej analizie matematycznej został zaproponowany iteracyjny algorytm o liniowej złożoności obliczeniowej pozwalający na efektywną energetycznie alokacje zasobów w łączu bezprzewodowym. Wyniki symulacji pokazują, że proponowane rozwiązanie zwiększa efektywność energetyczną badanego systemu w porównaniu z rozwiązaniami dostępnymi w literaturze.1 Abstract: In this paper, the energy efficiency (EE) using adaptive modulation and coding techniques for OFDM system is considered. By dint of a detailed mathematical analysis, the iterative algorithm with linear convergence has been proposed. The proposed algorithm allows us to the energyefficient resources allocation in a wireless link. The simulation results shows that the proposed solutions increases the energy efficiency compared to solution published in the literature. Słowa kluczowe: adaptacyjna modulacja i kodowania, efektywność energetyczna, OFDM. Keywords: adaptive modulation and coding techniques, energy efficiency, OFDM. 1. WSTĘP Problem zużycia energii w bezprzewodowych systemach telekomunikacyjnych staje się coraz ważniejszym aspektem ich projektowania. W ostatnich latach powstało dużo prac dotyczących alokacji zasobów mających na celu maksymalizację efektywności energetycznej. Większość z nich jednak nie uwzględnia idei adaptacyjnej modulacji i kodowania oraz zużycia energii powodowanej przez przetwarzanie sygnału w paśmie podstawowym. Dla przykładu w [1] autorzy skupiają się na optymalizacji efektywności energetycznej systemu OFDM (ang. Orthogonal Frequency Division Multiplexing) z adaptacyjną modulacją, a moc zużywana przez układy analogowe oraz cyfrowe jest stała. W [2] problem optymalizacji efektyw- 1 Praca powstała w ramach[...]

  Problem zu˙zycia energii w bezprzewodowych systemach telekomunikacyjnych staje si˛e coraz wa˙zniejszym aspektem ich projektowania. W ostatnich latach powstało wiele prac dotycza˛cych alokacji zasobów maja˛cych na celu maksymalizacj˛e efektywno´sci energetycznej [1], [5], [6]. Wszystkie przytoczone prace skupiaja˛ sie˛ jednak na maksymalizacji EE definiowanej jako stosunek przepływnos ´ci ła˛czy sieci wynikaja˛cej z wzoru Shannona do całkowitej mocy zu˙zywanej w sieci. Takie podej´scie stanowi przypadek idealny, w którym ograniczenia praktycznych systemów, takie jak: dyskretne warto´sci efektywno- ´sci widmowej czy grupowanie podno´snych w bloki zasobów, nie sa˛ brane pod uwage˛. Niemniej jednak istnieja ˛ prace [4], w których takie, praktyczne modele systemu sa˛ rozwaz˙ane, ale tylko w przypadku maksymalizacji przepływno´sci. Dlatego te˙z w niniejszym artykule przedstawiono maksymalizacj˛e EE dla systemu z praktycznymi ograniczeniami bazuja˛cymi na systemie LTE, co stanowi oryginalny wkład autorów. Struktura artykułu przedstawia sie˛ naste˛puja˛co: w rozdziale 2 przedstawiono model analizowanego systemu. W rozdziale 3 zaproponowano iteracyjny algorytm 1Praca powstała w ramach projektu "EcoNets" finansowanego ze ´srodków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2013/11/B/ST7/01168 maksymalizacji efektywno´sci energetycznej. Natomiast w ostatnim rozdziale zaprezentowano wyniki proponowanego rozwia˛zania w odniesieniu do metod referencyjnych oraz podsumowano prac˛e. 2. MODEL SYSTEMU Rozwa˙zmy komórk˛e systemu LTE, w której U u˙zytkowników współdzieli K bloków zasobów (ang. Resource Block - RB), a kaz˙dy blok składa sie˛ z NSC sa˛- siaduja˛cych podnos´nych. W analizowanym systemie zakładamy, ˙ze wszystkie bloki zasobów przypisane danemu u˙zytkownikowi w danym przedziale czasowym (ang. Time Transmission Interval - TTI) wykorzystuja˛ ten sam schemat modulacji i kodowania (ang. Modulation and Coding [...]

  1. WSTE˛P Wokresie ostatniej dekady badania zwia˛zane z efektywnos ´cia˛ energetyczna˛, jak równiez˙ z transmisja˛ wykorzystuja ˛ca˛przekaz´niki zyskały duz˙a˛popularnos´c´ [1,2,4,7, 8]. Efektywne energetycznie techniki transmisji pozwalaja ˛ na zmniejszenie zuz˙ywanej przez elementy sieci energii, a co za tym idzie na przedłuz˙enie z˙ywotnos´ci urza˛- dze´n oraz zmniejszenie emisji dwutlenku w˛egla. Dodatkowo u˙zycie przeka´zników pozwala powi˛ekszy´c zasi˛eg sieci, zwi˛ekszy´c przepustowo´s´c systemu czy te˙z zmniejszyc ´ moc transmisji. Wydaje sie˛ zatem, z˙e poła˛czenie obu technik stanowi idealna˛ pare˛ zwie˛kszaja˛ca˛ przepływnos ´c´ systemów radiokomunikacyjnych tym samym dbaja˛c o zuz˙ycie energii. Dodatkowo biora˛c pod uwage˛ rosna˛ca˛ liczbe˛ urza˛dzen´ bezprzewodowych zwia˛zana˛m.in. z nadchodza ˛ca˛ era˛ Internetu rzeczy (ang. Internet of Things - 1Praca powstała w ramach projektu "BioNets" finansowanego ze ´srodków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2016/23/B/ST7/03937. T = 1 podnośna:i T = 2 podnośna:j T = 1 podnośna:i' T = 2 podnośna:j' interferencja jeślij interferencja jeśli j n TX m RN Rys. 1. Przykład transmisji wykorzystuja˛cej te˛ sama˛ podnos ´na˛ przez nadajnik oraz we˛zeł pos´rednicza˛cy w drugiej szczelinie czasowej. IoT), która wymaga wysokiej efektywno´sci energetycznej mo˙zna przypuszcza´c, ˙ze wykorzystanie w˛ezłów sieci jako przekaz´ników be˛dzie szeroko stosowana˛ technika˛. Taka˛ hipoteze˛ potwierdza choc´by ludzki mózg, który mimo posiadania ogromnej liczby neuronów (w˛ezłów sieci) przekazuje impulsy zachowuja˛c wysoka˛ efektywnos´c´ energetyczna˛m.in. dzie˛ki przekazywaniu sygnału od z´ródła do celu przez wiele neuronów (we˛złów pos´rednicza˛- cych) [3]. Posiada on zdolno´s´c zło˙zonego przetwarzania i oblicze´n w czasie rzeczywistym pomimo stosunkowo wolno działaja˛cych i zaszumionych komponentów centralnego systemu nerwowego. Mózg ludzki jest [...]