Flexibel met frequenties

Cognitieve radio gaat intelligenter om met radiogolven

Muziekstations zijn allang niet meer de enige signalen in de lucht. Mobiele telefonie, draadloze netwerken, televisiebeelden: ze worden allemaal verstuurd met radiogolven. Tot een jaar of 10 geleden was dat geen probleem, maar nu — met de massale opkomst van onder andere smartphones — is het erg druk in het radiofrequentiespectrum. Dat is een probleem, want hoe drukker, hoe groter de kans dat signalen elkaar in de weg zitten. En niemand zit te wachten op haperende telefoons en radio’s.

Stel, je rijdt op de snelweg en jouw baan is erg druk. Dan schuif je een baan op als daar meer ruimte is. Op de ‘radiosnelweg’ mag dat nu niet: een zender mag niet zomaar van frequentie veranderen. Met de komst van cognitieve radio zou dat moeten veranderen.

Tijd dus voor een nieuw concept. Want in feite ís er genoeg ruimte. Een test in 2004 in New York liet zien dat er op elk tijdstip slechts 16 procent van het gehele spectrum in gebruik is. Het probleem is alleen dat die ruimte niet op een vaste plek zit, maar steeds wisselt. Een mogelijke oplossing is daarom een ‘dynamische indeling’ van het spectrum: elke zender zendt uit op de frequentie waar op dat moment plek is. Dit idee heet ook wel cognitieve radio.

Lege plekken

Professor Zhi (Gerry) Tian van Michigan Technological University doet onderzoek naar cognitieve radio. Zij vertelt dat het dynamisch verdelen van frequenties een complex probleem is: “Eerst moet het netwerk erachter zien te komen waar het ‘leeg’ is. Vervolgens moet die informatie aan iedereen doorgegeven worden.”

Helaas is het vinden van ongebruikte frequenties (ook wel spectrum sensing genoemd) niet zo makkelijk als even opzij kijken naar de andere baan van de snelweg. Om te bepalen waar er ruimte is, moet je eigenlijk op heel veel plekken in het spectrum even kijken of daar een signaal is. Je neemt als het ware ‘proefmonsters’. Maar het probleem is dat je erg veel van die steekproeven nodig hebt om een goed beeld te krijgen. Dat heeft te maken met de samplelimiet, die bepaalt dat je een minimum aantal steekproeven moet doen voor een representatief overzicht (zie kader).

Sample met mate

Het spectrum kun je vergelijken met een signaal, want het is in feite een reeks van heel veel waarden. Vaak kun je echter flink wat waarden weglaten zonder dat je dat merkt aan het signaal. Dit heet ook wel samplen: je neemt op bepaalde plekken in het signaal ‘proefmonsters’ en op basis van die steekproeven kun je het originele signaal precies namaken. Het gesampelde signaal is dus representatief voor het origineel. Er is alleen wel een minimum-limiet is aan het aantal samples. Als je te weinig proefmonsters neemt, kun je het oorspronkelijke signaal niet meer reconstrueren.

Oftewel, om lege plekken te vinden, ben je veel tijd kwijt met het onderzoeken van frequenties. Dat maakt het systeem onpraktisch voor bijvoorbeeld telefoonmaatschappijen en daarom gebruikt Tian een andere techniek, genaamd compressed sensing.

Het is namelijk zo dat je voor het reconstrueren van een signaal met lege plakken (een sparse signaal) minder steekproeven nodig hebt. Dat heet ook wel compressive sampling. En omdat het frequentiespectrum in feite sparse is (want we hebben die lege plekken), kun je het idee van compressive sampling hier goed gebruiken. Het gevolg is dat je dan veel minder frequenties hoeft te checken om tóch een heel nauwkeurig overzicht te krijgen.

Doorvertellen

Als eenmaal bekend is waar in het spectrum nog plek is, moeten apparaten dat te horen krijgen. Een centrale computer zou die informatie naar iedereen kunnen versturen, maar dat vergt veel communicatie en dus veel stroom. Ook is het netwerk dan erg afhankelijk van die ene computer. Tian onderzoekt daarom een andere oplossing, de decentrale aanpak.

In haar ‘multi-hop-netwerk’ communiceren apparaten alleen met directe buren, oftewel apparaten in de nabije omgeving. Ze vertellen elkaar welke ongebruikte frequenties ze hebben gevonden en gebruiken die informatie om het overzicht van lege plekken aan te passen. Dat maakt het overzicht steeds betrouwbaarder.

Er zijn altijd een aantal ‘eerste gebruikers’ (grijze torentjes), zoals bijvoorbeeld radiostations en telefoonmaatschappijen. Zij gebruiken een groot gedeelte van het frequentiespectrum en zijn eigenlijk altijd aanwezig. De ‘tweede gebruikers’ (zwarte circeltjes) zijn meestal consumenten, die met hun draadloze apparaat signalen ontvangen en versturen. De consumenten zoeken het netwerk af naar vrije frequenties. Ze detecteren de eerste gebruikers op het spectrum, zoals je rechts ziet in de twee kaders. In dit geval detecteren de twee apparaten allebei dat bepaalde frequenties in gebruik zijn, waarschijnlijk door de toren rechts. De opgevangen signaalsterkte verschilt omdat ze zich op verschillende afstanden bevinden. De apparaten detecteren elk ook een andere frequentie in gebruik. Die signalen kunnen komen van de andere twee torens.

Zeng et al., 2010

Ten slotte moeten de apparaten nóg iets met elkaar bespreken: wie gaat welke ongebruikte frequentie benutten? “Je wilt niet dat alle apparaten dezelfde lege plek vinden en tegelijk erin springen”, zegt Tian. “Je hebt een ontvanger nodig die het spectrum afzoekt en vervolgens met de processor van het apparaat praat – het brein. Die moet dan beslissen welke frequentie het wordt, waarbij andere gebruikers niet worden gestoord.” Volgens Tian zullen cognitieve radio’s dan ook ‘superslim’ moeten zijn, zodat er geen files ontstaan op de radiogolvensnelweg.

Lees meer over radiotechniek op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/techniek/radio/index.atom?m=en", “max”=>"8", “detail”=>"minder"}