DESIGN OF SUBJECT-ORIENTED ONTOLOGY FOR IEEE 802.22 COGNITIVE ACCESS NETWORKS

Full Text

Введение При оказании услуг радиодоступа не всегда назначенные для использования на данной территории радиочастоты или диапазоны частот используются постоянно, то есть в каждую последовательную единицу времени. Некоторые частотные диапазоны, например, для организации эфирного телевизионного (ТВ) вещания, неравномерно загружены во времени и пространстве [1-5]. Одним из первых международных стандартов, использующих указанные свойства радиочастного спектра (РЧС) является IEEE/ISO 802.22, где не занятые в текущий момент времени фрагменты частотно-территориального ресурса в ТВ-диапазоне называют «белыми пятнами» (White Spaces, White Spots) [6-8]. Стандарт IEEE 802.22 включает спецификации канального уровня. Расстояние между оборудованием в помещении клиента CPE (Customer Premises Equipment) т.е. абонентским оборудованием и базовой станцией, БС, IEEE 802.22 может составлять от 25 км до 100 км в зависимости от типа антенны. Для предотвращения непреднамеренных помех, мешающих работе первичных пользователей РЧС (Primary User, PU), требуется объединение информации об использовании РЧС в связанное множество фактов, выраженных в согласованных понятиях, описывающих элементы проблемной области. Интеграция данных осуществляется с помощью создания предметно-ориентированной онтологии. Это делает возможным создание алгоритмов обработки данных, учитывающих всю совокупность факторов, влияющих на процесс использования РЧС независимо от программного кода управления CPE. Необходимость такого подхода обусловлена тем, что наперед заданные правила использования когнитивной сети, которые реализованы непосредственно в виде программного алгоритма и кода [9], могут не в полной мере соответствовать быстро изменяющимся условиям радиосреды, требуется постоянно обновление программного обеспечения (ПО) в части методов и технологиях выбора радиоканалов. В этих условиях целесообразно решать проблему организации работы CPE с помощью правил управления изменением конфигурации, принимая во внимание обобщенные данные и знания [10-11] о когнитивных технологиях. Для этого предлагается концептуальная модель радиоэлектронного средства (РЭС) и онтология, которая создается с помощью веб-язык онтологий OWL (Ontology Web Language), используемого для систем, основанных на знаниях. Общее описание онтологии Целью разработки предметно-ориентированной онтологии IEEE 802.22 является обеспечение эффективного взаимодействия между абонентскими устройствами и когнитивной сетью связи на основе использования знаний о проблемной области вне зависимости от методов обработки данных, языков программирования. Цель достигается путем общего концептуального описания предметной области. Формально предметно-ориентированную онтологию можно определить, как упорядоченное множество (кортеж), имеющий вид, в целом аналогичный [11] вида (1) где- конечное, непустое множество классов, сформированных в результате анализа предметной области, которая описывается разрабатываемой онтологией; - конечное множество, определяющее типы бинарных отношений между объектами классов предметной области; - конечное множество, определяющее типы литеральных (символьных, числовых, логических) свойств, значениями которых могут обладать объекты классов предметной области. В рамках разрабатываемой онтологии, сформулированные понятия и типы отношений будут использованы для формулирования истинных утверждений (аксиом) о конкретных объектах и их отношениях. Моделирование истинных утверждений представляет собой ограничивающее условие, которое, тем не менее, обеспечивает корректное использование понятий предметной области и интерпретацию логических взаимосвязей между объектами, сформулированных при помощи введенных понятий. Классы формируются либо с помощью исчерпывающего описания свойств объектов предметной области, позволяющих отнести объект к данному классу, либо класс задается исчерпывающим перечнем объектов, отнесенных к данному классу. Распределение объектов по классам наперед неизвестно. Далее считается, что (2) где - множество индексов; . В случае, если отнесение объекта к определенному классу определяется неотделимыми свойствами такого объекта, а свойства такого объекта измеримы, то можно обоснованно допустить наличие гипотезы о существовании измеримого свойства, которое в информационной модели можно описать с помощью атрибутов (attributes). Свойства объектов, входящих в класс, в информационной модели - онтологии можно описать с помощью множества вида , (3) где - множество атрибутов класса объектов; - множество индексов атрибутов. Если значения свойств объектов, входящих в определенный класс, измеряемы, то для объектов такого класса существует множество вида (4) где - измерительная процедура; - набор (множество) наперед известных символов, которыми обозначаются единицы измерения; - отношения, которые приписывают свойствам объектов классов определенные символы , где верно отношение Наличие непустого отношения вида свидетельствует о наличии измерительной процедуры, которая позволяет корректно описать свойство объекта класса, прежде всего с семантической точки зрения; например, частота не может быть быстрой. Для структурного отношения возможно определить бинарное отношение вида - символы, описывающие структурное (ссылочное) отношение, для которого в языке существует знаковое или лексическое (фразовое) обозначение. Соответственно, исследуемый объект может участвовать в бинарном отношении . Разработка предметно-ориентированной онтологии IEEE 802.22 В качестве первого этапа онтологического анализа выполняется разработка таксономии предметной области, состоящей в использовании «белых пятен» ТВ-диапазона РЧС TVWS (Television White Spaces) для приема-передачи данных в целевой сети. В качестве базового элемента таксономии предлагается классификация статусов каналов TVWS с учетом стандарта IEEE 802.22 на рисунке 1. Рисунок 1. когнитивной сети IEEE 802.22 Рабочий канал используется для переноса сигнала электросвязи между БС и ММР(CPE) в ячейке WRAN IEEE 802.22. Дублирующий канал - это канал, который должен быть немедленно освобожден, чтобы принять на себя функцию рабочего канала. Канал-кандидат представляет собой канал, который может стать дублирующим каналом. Защищенный канал - это канал, в котором в ходе зондирования обнаружена работа PU. Описание изменения статуса канала в рамках разрабатываемой онтологии приведено в таблице 1 Таблица 1. Изменения статуса канала Статус Событие Кандидат Резервный Рабочий Защищенный Обнаружен PU Защищенный Защищен-ный Защи-щенный Защищенный Не обнаружен PU Резервный Состо-яние не меняется Состояние не меняется Состояние не меняется Освобож-дение канала Состояние не меняется Состояние не меняется Кандидат Состояние не меняется Канал доступен для зондирования Состояние не меняется Рабочий Состояние не меняется Состояние не меняется В качестве еще одного элемента таксономии предлагается классификация устройств, способных использовать TVWS на рисунке 2. Рисунок 2. Классы и подклассы для описания процесса обработки данных и сигналов сети IEEE 802.22 Фиксированное устройство должно использовать возможности геолокационной базы данных GLDB (Geolocation DataBase) для предотвращения помех устройствам PU с внешней антенной с мощностью излучения до 1 Вт на одном или нескольких каналах B с шириной полосы 6,7 или 8 МГц. Максимальное усиление антенны приемника в горизонтальной плоскости составляет 6 дБи и максимальное значение EIRP базовой станции составляет 4 Вт. Предметно-ориентированная онтология когнитивной сети IEEE 802.22 разрабатывается для устройств CPE и БС IEEE 802.22. Модель класса «Процесс обработки данных и сигналов IEEE 802.22 (Process)» также показана на рисунке 2. Подклассами класса «Процесс обработки данных и сигналов IEEE 802.22 (Process)» являются следующие: - включение и выключение РЭС IEEE 802.22 (TurnOn_Off); - зондирование TVWS (Sensing); - изменение статуса канала (StatusChannelTransition) в смысле таблицы 1; - обработка данных протоколов (Protocol_Data_Processing): - переключение на доступный канал (availableChannelSwitch) в смысле рисунка 1; - позиционирование (Geolocation) по спутниковым системам или наземным координатам; - прием и передача (Receive_Transmit) данных; - управление мощностью излучения (PowerControl) для прекращения излучения в случае обнаружения PU и возобновления работы на доступном канале. Рис. 3. Классы и подклассы для описания компонент РЭС сети IEEE 802.22 Подклассы класса «Компонент РЭС (DeviceComponent)» показаны на рисунке 3: - антенна и радио-интерфейс (Antenna RF front-end) для моделирования непосредственного излучения сигнала на физическом уровне; - передатчик (Transmitter) для моделирования передачи сигнала на физическом и канальном уровне; - приемник (Receiver) для моделирования приема сигнала на физическом и канальном уровне; - детектор (Detector) - для моделирования выделение сигнала PU на физическом уровне; - модуль ГЛОНАСС/GPS (Location Detector) для моделирования геопозиционирования; - блок обработки данных (Data Processing Unit) для моделирования обработки данных физического, канального и сетевого уровня; - соответствующее обнаружению со стороны CPE начала работы первичного пользователя. Связи между объектами классов показаны на рисунке 4, где отношения описываются в виде семантических записей, которые характеризуют свойства соответствующих отношений. Отношение указывает, что объекты класса «РЭС IEEE 802.22» могут быть связаны с объектами класса «Сеть IEEE 802.22» отношением, означающим, что устройство участвует в работе сети. Отношение означает, что объект класса «РЭС IEEE 802.22» может быть связан с объектом класса «Сеть IEEE 802.22» отношением, означающим, что устройство участвует в работе сети. Отношение означает, что объект класса «РЭС IEEE 802.22» может быть связан с объектом класса «Процесс обработки данных и сигналов IEEE 802.22 (Network)» отношением, означающим, что устройство участвует в процессе обработки. Также верно, что с помощью отношения показано, что объект класса «Канал» может быть связан с объектом класса «Сеть IEEE 802.22». Отношение означает, что объект класса «Компонент РЭС» может быть связан с объектом класса «РЭС IEEE 802.22(MMR_CR)» отношением, означающим, что компонент является частью устройства. Отношение означает, что объекты класса «РЭС IEEE 802.22» связаны с объектами класса «Канал» отношением, означающим, что устройство использует канал. Отношение означает, что объекты класса «Канал» связаны с объектами класса «Статус канала» отношением, означающим, что каналу присваивается определенный статус. Отношениеозначает, что объекты класса «Событие» и его подклассы связаны с классом «Канал» отношением, указывающим, что событие происходит в канале. Рис. 4. Отношения между объектами в онтологии сети IEEE 802.22 «Процесс обработки данных и сигналов IEEE 802.22» обладают ссылками на объекты класса «Событие», означающими, что определенное событие является триггером, инициирующим запуск определенного процесса. Аналогично, отношение означает, что некоторое событие может являться результатом некоторого процесса. Отношение указывает, что объекты класса «Процесс обработки данных и сигналов IEEE 802.22» воздействуют на атрибуты объектов класса «Канал». Разработанная предметно-ориентированная онтология, включающая семантическое описание рассмотренных выше классов, отношений и атрибутов с помощью общего языка для моделирования онтологий OWL представлена в [12]. Модель и правила функционирования абонентского устройства в сети IEEE 802.22 Для использования разработанной онтологии используется информационная модель устройства РЭС IEEE 802.22, представленная на рисунке 5. Рисунок 5. Модель информационной архитектуры РЭС сети IEEE 802.22 С точки зрения реализации гипотетического устройства, работающего с правилами, его архитектура должна включать: - хранилище фактов (онтология); - машина логического вывода (reasoner), которая обрабатывает набор фактов и правила онтологии; - директивные (императивные) алгоритмы, управляющие работой устройства РЭС IEEE 802.22. Необходимость использования в архитектуре императивных (директивных) алгоритмов обусловлена тем, что некоторые правила не могут быть реализованы только средствами предметно-ориентированной онтологии и машины логического вывода. Директивные алгоритмы имеют возможность помещать определенные факты в хранилище фактов (онтологию). Машина логического вывода обрабатывает хранилище и формирует новые факты (правила), после чего императивные алгоритмы считывают полученные факты (правила). Таким образом логика, реализованная в правилах, управляет работой устройства. Преимущество описанного метода обработки знаний в виде фактов о проблемной области, по сравнению с алгоритмическим управлением, состоит в том, что факты и новые знания могут извлекаться и применяться непосредственно в процессе работы РЭС IEEE 802.22, без остановки на обновление ПО, как это было бы в случае изменения алгоритма. Такой подход позволяет практически в реальном времени адаптировать РЭС к новым условиям работы без существенного обновления базового ПО управления. В рассматриваемой предметно-ориенти-рованной онтологии, в хранилище фактов до начала работы РЭС IEEE 802.22 достаточно создать объекты следующих классов: - объект класса Таймер (Timer), атрибут «Время» (Time) которого имеет значение, равное текущему сетевому времени; значение этого атрибута автоматически обновляется каждую секунду с одновременным контролем достижения порогового значения таймера; - объект класса «Сеть IEEE 802.22», представляющий ММР доступ к сети, в которой может функционировать устройство РЭС IEEE802.22; - объект(ы) класса «Канал», каждый из которых представляет радиоканал, с которым может взаимодействовать устройство; канал связан с сетью и имеет некоторый статус, из числа описанных выше, а при регистрации новых каналов устройство должно присваивать им начальный статус «Защищенный»; - объект(ы) класса «Процесс обработки данных и сигналов IEEE 802.22», каждый из которых представляет информацию о последнем процессе, выполненном на определенном канале; для каждого канала должен существовать один объект класса «Процесс обработки данных и сигналов IEEE 802.22», связанный с каналом; - объект класса «Событие», каждый из которых представляет информацию о последнем событии, происшедшем на определенном канале (в том числе о событиях, являющихся результатом выполнения процесса). С учетом схемы на рисунке 5 можно предложить следующие правила для логического вывода. Правило 1. Если технология зондирования соответствует стандарту передачи ТВ сигнала, то начинается работа РЭС в сети IEEE 802.22. Правило 2. Если в ходе зондирования устройством РЭС IEEE 802.22 (CPE) или базовой станцией IEEE 802.22 определен факт использования ТВ-канала PU, то канал получает статус «Защищенный». Правило 3. Канал, получивший статус «Защищенный» становится доступным для нового зондирования не ранее чем через 10 мин. Правило 4. Канал зондируется каждые 6 с для определения наличия работы PU. Правило 5. Канал получает статус «Канал-кандидат», если обнаружено отсутствие работы PU (noPUDetection). Правило 6. При обнаружении работы PU значение счетчика циклов сканирования РЧС на отсутствие работы PU (noPUCounter) = 0; статус канала = «Защищенный». Правило 7. Канал-кандидат получает статус «Резервный» если зондирование РЭС IEEE 802.22 каждые 6 с выявило отсутствие передачи PU в течение 30 с. Правило 8. Канал со статусом «Рабочий» зондируется РЭС IEEE 802.22 (CPE) каждые 2 с для обнаружения работы PU. Правило 9. Если РЭС IEEE 802.22 обнаружил работу PU, то статус канала становится «Защищенный», а РЭС IEEE 802.22(CPE) прекращает работу на данном канале за 2 с. Несмотря на описанные выше возможности онтологического подхода не всегда являются достаточными. Поэтому ниже следующие правила реализуются в виде программного кода, который загружается по протоколу TFTP. Правило 10. Отсутствие работы PU (noPUDetection) подтверждается с периодом 6с; значение счетчика noPUCounter увеличивается на 1. Правило 11. Устройство РЭС IEEE 802.22 (CPE) занимает канал со статусом «Резервный». Правило 12. Статус канала, выбранного РЭС IEEE 802.22 (CPE) становится «Рабочий». Правило 13. Если выполнено правило 12, то РЭС IEEE 802.22 переключается на канал со статусом «Резервный». Timer(?t), Sensing(?sensing), Channel(?channel), hasStatus(?channel, protectedChannel), performedOnChannel(?sensing, ?channel), Time(?t, ?current_time), TimeEnd(?sensing, ?end), subtract(?interval, ?current_time, ?end), greaterThan(?interval, 600) -> hasStatus(?channel, availableChannel) Рисунок 6. Пример программной реализации правила 3 Порядок введения в действия правил определяется занятием (освобождением) каналов PU и требованиями стандарта IEEE 802.22. Исходными положениями (аксиомами) в разрабатываемой онтологии являются следующие. Устройство РЭС способно работать в сети IEEE 802.22 и способно использовать по крайней мере один метод зондирования РЧС. Устройство РЭС имеет доступ по крайней мере к одному каналу со статусом «Рабочий». Базовая станция IEEE 802.22 имеет в своем списке по крайне мере один канал со статусом «Рабочий», один канал со статусом «Резервный», один канал со статусом «Кандидат» («Канал-кандидат») и один канал со статусом «Защищенный». Пример программной реализации правила 3 представлен на рисунке 6. Разработанный программный код предметно-ориентированной онтологии доступен в сети Internet [12]. Заключение Для управления техническими характеристиками РЭС (CPE), обеспечивающими использование различных технологий доступа предлагается использовать предметно-ориентированную онтологию для создания концептуальной модели и использовать правила, разработанные в рамках онтологии. Использование правил, которые не являются встроенными процедурами непосредственно в программный кода управления РЭС (CPE), позволяет повысить гибкость и адаптивность управления без необходимости постоянной модификации хранимых программ управления, что необходимо для обеспечения работы абонентского устройства в гетерогенных сетях. Для демонстрации возможностей предметно-ориентированной онтологии и создания правил управления создана онтология когнитивной сети связи стандарта IEEE 802.22, предназначенная прежде всего для описания функций и технических характеристик устройств, способных использовать технологии «белых пятен» РЧС. Разработаны правила, описывающие переключения РЭС (CPE) между каналами IEEE 802.22 с учетом влияния пользователей РЧС. Таким образом, ММР может быть адаптировано для работы в сети IEEE 802.22. Разработанная онтология и правила могут использоваться для организации средств логического вывода о возможности использования РЭС (CPE) доступных сетей для межсистемного вертикального хэндовера (Vertical Handover, VHO). Автор выражает благодарность генеральному директору компании «Тринидата» (г. Екатеринбург, РФ) Горшкову С.В. за ценные советы и содействие при подготовке материалов для статьи, личное участие в разработке предметно-ориентированной онтологии.

About the authors

Alexander Yuryevich Grebeshkov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: grebeshkov-ay@psuti.ru

References

Supplementary files