Как с помощью технологии когнитивного радио усовершенствовать средства сотовой телефонной связи.

Возможности пользователей современных сотовых телефонов ограничены пределами действия сети провайдера. Известный ученый Джозеф Митола, сотрудничающий сейчас с агентствами National Security Agency и DARPA, считает, что предлагаемая им система в состоянии изменить эту ситуацию. Он называет ее когнитивным, или обучающимся радио (Cognitive Radio, CR), и утверждает, что она наделяет беспроводные устройства способностью самообучаться.

Митола встретился с главным редактором издания CTO Media Лореттой Пренсип, чтобы рассказать о принципах действия когнитивного радио, и о том, как с помощью этой технологии усовершенствовать средства сотовой телефонной связи.

Вы ввели термин «когнитивное радио». Что это такое?

Когнитивное радио — это, по сути, вычислительная модель. В CR заложена информация о собственных интеллектуальных возможностях, а также о спектре действий, которые с ним может выполнять пользователь. Если, например, CR определяет, что ведется интервью, на экране появится сообщение, предлагающее платить за соединение на три цента в минуту больше, но при этом гарантируется передача более четкого сигнала. Со временем это устройство «научится» и добавит в вычислительную модель информацию о том, что пользователь предпочитает более качественный звук, когда берет интервью. Эта вычислительная модель накапливает информацию о себе самой, о пользователе и о сети, а машинное обучение означает, что пользователю не нужно перепрограммировать устройство и снова указывать, что следует делать. Пока такого рода действующей модели не существует. На ее создание потребуется лет пять или десять.

Расскажите об архитектуре CR.

Это радио на базе программного обеспечения. Оно будет в состоянии отслеживать особенности аппаратуры для того, чтобы программироваться по полосе частот или по режиму использования. Поэтому, вместо того чтобы жестко ориентироваться на полосу 800 — 900 МГц, можно адаптировать его к полосе частот ISM, либо к полосе частот IEEE, либо 5 ГГц. CR будет знать, что ему следует делать на основе «накопленного опыта». К примеру, вы садитесь в машину и едете на работу. Во время движения CR оценивает, как идет распространение радиосигнала, его интенсивность, качество в различных полосах частот. Оно создает свою внутреннюю базу данных, в которой хранятся сведения о том, что оно может делать, когда и где.

Сможет ли CR в конце концов привести к объединению всех беспроводных устройств?

Безусловно, и за счет этого постепенно упростится взаимодействие пользователя со все более сложными устройствами. В перспективе благодаря CR ваш PDA, мобильный компьютер и автомобиль будут использовать Bluetooth, IEEE 802.11 и стандарты сотовой связи от 1G до 3G, руководствуясь потребностями пользователя.

В когнитивное радио заложена информация о собственных интеллектуальных возможностях, а также о спектре действий, которые с ним может выполнять пользователь.

Джозеф Митола, ученый, сотрудничающий сейчас с агентствами NSA и DARPA

С какими трудностями предстоит столкнуться на этом пути?

Сейчас провайдеры услуг стремятся во что бы то ни стало добиться рентабельности беспроводных систем третьего поколения. Ведущим компаниям удалось заработать большие деньги и захватить лидерство на рынке благодаря системам второго поколения. Добиться того же с системами 3G пока не удалось никому. Развертывание таких служб требует огромных средств. Приложения, которое оправдало бы такие затраты, пока не существует.

Чем должен быть оснащен сотовый телефон с когнитивным радио?

Для того чтобы это устройство смогло узнать важную для себя информацию и предоставить заданный уровень обслуживания, оно должно иметь намного больше датчиков, чем современное радио. К примеру, чтобы CR могло узнать, что аппарат, в который оно «заключено», упал на пол, ему необходим датчик движения, а поскольку GPS не очень хорошо работает в помещениях и вообще в городе, потребуются также более совершенные встроенные датчики.

Сможет ли CR найти самую быструю и наилучшую полосу частот, чтобы послать видео, выбрать аудио?

Необязательно самую быструю. Если вы оплачиваете видео по определенному тарифному плану, то ваш провайдер предоставит вам соответствующую полосу пропускания. Но если пользователь захочет найти самый дешевый способ передать видео, то CR может играть роль интеллектуального агента (действуя с наибольшей выгодой для пользователя) и, проанализировав все возможности, предложить, к примеру, канал в стандарте 802.11, поскольку он бесплатный. CR должно выбирать наиболее выгодный для пользователя вариант с учетом наложенных им ограничений. Бесплатный канал может быть нешифрованным. Но если понадобится, то все, что пользователь скажет, будет зашифровано. Он может предпочесть заплатить чуть дороже за трансляцию по сети 4G или 5G, но воспользоваться шифрованным каналом. Пользователь сможет задать параметры, а CR выберет наиболее выгодный вариант, запомнив предпочтения пользователя и адаптировавшись к ним.

Найдет ли CR применение на предприятиях?

Практический смысл этого решения в первую очередь заключается в том, что оно позволит разумным образом формировать предлагаемый трафик. Скажем, я нахожусь в метро и использую службу 3G стоимостью 1 долл. за минуту и мне нужно послать сообщение электронной почты с присоединенным файлом объемом 10 Мбайт. Когнитивное радио выдаст сообщение: «Вы находитесь в 10 минутах езды от офиса и там сможете воспользоваться бесплатной корпоративной локальной сетью. Не хотите ли вы, чтобы присоединенный файл был придержан, пока мы не доберемся до работы?» Провайдеры услуг надеются, что системы 3G и 4G принесут им большой доход. На самом деле они конкурируют за этот трафик с офисной локальной сетью. И если программно управляемое радио в значительной степени превращают организацию в заложника политики, которую предлагает провайдер сетевых услуг, то CR отдает власть в руки пользователя.

Можете ли вы подробнее останавливаться на этом примере? Разве большинство пользователей не владеют уже ситуацией в той или иной степени?

Большинство пользователей не получают разумной помощи в «формировании трафика», позволяющей решить, за что и сколько платить, когда и где. Они не в состоянии разобраться в сложных структурах тарифов и взаимозачетов, которые очень часто меняются (как, впрочем, и требования абонентов). Поэтому пользователи вынуждены делать свой выбор раз и навсегда, например, выбрать, будет ли Blackberry использовать, скажем, корпоративную локальную сеть, которая в будущем может стать защищенной беспроводной сетью.

CR, которое управляет вашим мобильным устройством, может использовать полосу пропускания и режим BlackBerry в том числе и тогда, когда вы должны послать короткое, но срочное сообщение, а сетевой сервер работает очень медленно.

В другой ситуации CR может переключиться на локальную сеть при передаче длинного сообщения, имеющего, к примеру, присоединенный файл объемом 10 Мбайт, поскольку знает, что локальная сеть дешевле, а сообщение не срочное, или что скорость передачи сервера опять возросла. Динамически получать информацию, необходимую для реализации последнего варианта, сегодня пользователь так просто не может, не говоря уже о том, что современные сети не в состоянии на ее основе предложить пользователю наиболее приемлемый и эффективный для него способ связи. Со временем CR может стать «активным агентом», имеющим все функции программного агента, и плюс к тому будет интегрировано в беспроводное устройство пользователя, чтобы действовать в его интересах.

Одни организации выступают за открытую полосу частот для радиосвязи, ссылаясь на свободу слова. Другие считают, что эта технология создана не для всех коммуникаций и что использование открытой полосы частот отрицательно скажется на некоторых военных операциях и проектах, связанных с исследованиями и разработкой. Что вы думаете по этому поводу?

Правы и те и другие. В одном городе находился госпиталь, кардиомониторы которого работали в полосе частот ISM. Когда в той же полосе частот заработала цифровая телестанция, возникли проблемы с кардиомониторами. Началась паника. Интеллектуальному кардиомонитору была выдана по сети цифровая команда перейти на другую частоту. Все это могло быть сделано в соответствии с алгоритмом и с учетом данных, без участия людей. Кардиомонитор с CR мог бы найти полосу частот с наименьшим уровнем помех и поддерживать протокол связи между кардиомонитором и базовой станцией. Интеллектуальное радиоустройство могло бы сообщить, что наткнулось на что-то, похожее на цифровую телевизионную станцию и работает на той же частоте.

Эпоха, когда все приходилось делать вручную, уходит в прошлое, и наступает эпоха повсеместного автоматического управления на основе измерений, сделанных самим радио. В эту эпоху открытый спектр частот станет возможным.

А что будет с унаследованными лицензиями на спектр радиочастот?

Представьте себе такую ситуацию. Полицейский включает переговорное устройство. Когда он начинает говорить в микрофон, каналы освобождаются. Одно CR может взаимодействовать с другим, передавая сигнал полицейского в режиме, который называют режимом прослушивания. Около 30 раз в секунду CR приостанавливает передачу и какое-то время ждет. Если оно слышит, что оператор подключился или раздается голос, он просто прекращает передачу и ищет другой свободный канал. Обычные пользователи только включают устройство и начинают говорить. CR же ведет себя вежливо.

Будет ли CR накапливать знания о спектре?

Его можно перепрограммировать с помощью базовых средств обслуживания спектра, которые занимают 100 Мбайт. Для телефонов будущего выделение 100 Мбайт для анализа радиоспектра, как и знание того, что этот спектр выделен для спутника, проблем не создаст. Предположим, что у вас есть полоса частот, зарезервированная для морских пехотинцев, а я нахожусь посреди Аризоны и сигнала нет. CR может выбрать эту полосу частот и использовать ее минимально, и при этом в фоновом режиме будет работать функция прослушивания. Как только мы окажемся ближе к городу, CR поймает сигналы и переключится на другую полосу частот.

И все это незаметно для пользователя?

Да. В соответствии с «правилами этикета» CR должно хранить звуковой след того, что оно делает, чтобы люди, отвечающие за эту часть спектра, могли определить, корректно или нет работает CR и как сделать так, чтобы оно лучше работало, лучше адаптировалось и знало, какие алгоритмы нарушают права на зарезервированные полосы частот.

Что вы можете сказать по поводу защиты?

Хакерам ничего не стоит проникнуть в нынешние беспроводные сети. Все это лишь вершина огромного айсберга реальной задачи обеспечения защиты данных и прав на конфиденциальность тех, кто станет в будущем использовать сети передачи данных. Я представляю себе CR как решение, которое изначально должно быть очень надежным.

Это касается и политики в отношении конфиденциальности, и использования в военных целях. Поскольку вопросы защиты и предоставления уровня доступа относятся к сфере национальной безопасности.


Непостоянство постоянного

Его называют «постоянным» доступом. Говорят, что он позволяет работать в сети «отовсюду». И утверждается, что платить за это нужно будет «постоянную» абонентскую плату. Все это не соответствует действительности.

С каждым днем становится все очевиднее, что «постоянный» доступ, обещанный службами беспроводной передачи пакетов данных, такими как GPRS (General Packet Radio Service), — это миф или, в лучшем случае, фантастика, в основу которой, правда, положены реальные события. Возможно, постоянный доступ и поддерживается в лабораторных условиях, но в реальной жизни соединения прерываются по самым разным причинам, в частности, из-за перегруженности радиосетей, причудливости телефонного программного обеспечения и все тех же старых проблем потери связи в туннелях или под длинными мостами.

После того как несколько лет назад появились первые беспроводные службы мобильной передачи данных на базе протокола WAP (Wireless Application Protocol), в основном не оправдавшем надежды, возлагаемые на него отраслью, некоторые производители стали намного сдержаннее в тех обещаниях, которые они дают своим клиентам. К примеру, лондонская фирма Pogo Mobile Solutions больше не заявляет о «постоянном» доступе при описании возможностей своего устройства nVoy e100 (терминала электронной почты, адресной книги, браузера Web и записной книжки), который можно носить с собой и с которым можно работать одной рукой.

Инженеры Pogo программируют устройство таким образом, чтобы оно могло выдерживать частые перебои в работе сети, скрывая их, как только можно, от пользователей, так, чтобы приложение все время оставалось в рабочем режиме. Но демонстрации других приложений на базе GPRS, работающих на портативных компьютерах и использующих модемы GPRS мобильных телефонов для связи с Internet, прерывались из-за неполного покрытия и чересчур загруженных сетей в выставочных залах.

Возможность поддерживать связь в любой точке зависит от множества причин. Большинство операторов, предлагающих услуги GPRS, предоставляют их везде, где можно получить доступ к сетям GSM. Все обстоит прекрасно, например, в Нидерландах или Великобритании, где высокая плотность населения гарантирует, что покрытие сети адекватно на всей территории страны.

Однако в центральной Франции, где плотность населения намного ниже, так же, как и в испанских Пиренеях, где в горах живет больше овец, чем телефонных абонентов. Покрытие всей территории остается далекой мечтой.

Сейчас слово «повсюду» должно означать «в любом регионе мира», а не «в любом уголке вашего сада». Что касается голосовых звонков, здесь ситуация намного проще: значительное число операторов GSM имеют роуминговые соглашения по крайней мере с одной сетью в большинстве стран по всему миру, однако они не распространяются на пакетную передачу данных, так что в случае с GPRS операторам приходится начинать все с самого начала.

Есть и другие сложности, связанные с географическим положением, в частности время, которое требуется для передачи пакетов с вашего мобильного компьютера на сервер, стоящий в офисе. Его лучше всего измерять не километрами, а количеством промежуточных маршрутизаторов, через которые передаются пакеты. Зависимость очень проста: чем дальше вы находитесь от своей домашней сети, тем больше маршрутизаторов будет на пути пересылаемых пакетов.

Большинство пользователей, вероятно, будут мириться с трудностями доступа GPRS до тех пор, пока они не смогут контролировать затраты за счет тарифных планов, предусматривающих постоянную абонентскую плату. Однако это, пожалуй, самое фантастичное, что рассказывают о GPRS. К примеру, компания Orange PCS недавно сообщила о намерении предложить службу с постоянной абонентской платой, позволяющую клиентам передавать данные без каких-либо ограничений по объему при условии, что они не будут передавать слишком больших объемов.

Все это делает картину положения дел с GPRS весьма унылой, но разработчики программного обеспечения не покладая рук работают над решением проблем, связанных с неустойчивостью соединений и низкой производительностью. Если вы не поддадитесь всеобщей эйфории, то по прошествии времени вам удастся дождаться появления довольно перспективных и интересных мобильных приложений.

Питер Сейер

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями