Ученые представили «когнитивное радио» с нейронной сетью, которая анализирует изменения в окружающей среде и соответствующим образом корректирует свои настройки. Это делает новое радио более устойчивым в неизвестных средах, например, в космосе, далеко за пределами земной орбиты.
На обычную радиосвязь в космосе влияет множество факторов: колеблющаяся ионосфера Земли, низкоуровневое радиоизлучение, микроволновое фоновое излучение. Все они могут подавлять сигнал. Однако для будущих космических миссий необходимо обеспечить устойчивое соединение. Для этого коммуникационная система должна научиться адаптироваться к окружающей среде.
К примеру, астронавты на Марсе для подключения к наземной станции на Земле будут использовать спутник-ретранслятор, вращающийся вокруг планеты. Поскольку космическая среда будет изменяться, то настройки радиосвязи на наземной станции, спутнике, вращающемся вокруг Марса, и марсианском корабле будут нуждаться в постоянных корректировках. В итоге астронавты будут вынуждены ждать от 8 до 40 минут, чтобы получить инструкции или иную информацию.
Вустерский политехнический институт и Пенн Стэйт в сотрудничестве с НАСА недавно провели испытания первых когнитивных радиостанций, предназначенных для работы в космосе и поддержания связи миссий с Землей. Они обеспечили четкий сигнал для связи с Международной космической станцией (МКС).
Впервые идею такого радио озвучил Джозеф Митола III в Королевском технологическом институте в Стокгольме в 1998 году.
Отличие когнитивного радио в том, что его нейронная сеть учится на данных из самой среды, а не из математической модели. Она получает информацию о том, какая модуляция сигнала работает лучше всего или какие частоты распространяются дальше всего, и обрабатывает эти данные, чтобы определить, какие настройки радио нужны для оптимальной связи. Ключевой особенностью нейронной сети является то, что она может со временем оптимизировать отношения между входными данными и результатом. В шумной обстановке, где сигнал не проходит, радиостанция может сначала попытаться увеличить мощность передачи. Затем она определит, является ли принятый сигнал более четким; если это так, радиостанция увеличит мощность передачи, чтобы увидеть, улучшит ли это прием. Но, если сигнал не улучшится, радиостанция может попробовать другой подход, например, переключение частот.
Для управления основными настройками когнитивное радио использует беспроводную систему, называемую программно-определяемым радио. Основные функции, которые реализуются с помощью аппаратного обеспечения в обычной радиостанции, здесь выполняются с помощью программного обеспечения, включая фильтрацию, усиление и обнаружение сигналов.
Пока эксперименты с когнитивным радио еще ограничены по масштабу. По своей сути нейронные сети представляют собой сложные алгоритмы, для работы которых необходимы огромные объемы данных. Они также требуют большой объем вычислительных мощностей. Радиооборудование должно быть спроектировано достаточно гибко, чтобы адаптироваться к получаемым выводам. И любое успешное когнитивное радио должно заставить эти компоненты работать вместе.
Исследовательский центр Гленна при НАСА создал испытательный стенд SCaN специально для изучения использования программно-определяемых радиостанций в космосе. Он был запущен Японским агентством по аэрокосмическим исследованиям и установлен на основной решетчатой раме МКС в июле 2012 года. До его вывода из эксплуатации в июне 2019 года SCaN позволял исследователям проверять, насколько хорошо программно-определяемые радиостанции могут соответствовать ожидаемым требованиям в космосе, таким как реконфигурация в реальном времени для орбитальных операций, разработка и проверка нового программного обеспечения для нестандартных космических сетей и когнитивных коммуникаций.
Испытательный стенд состоял из трех программно-определяемых радиостанций, вещающих в диапазоне S (от 2 до 4 гигагерц) и диапазоне Ka (от 26,5 до 40 ГГц) и принимающих в диапазоне L (от 1 до 2 ГГц). Испытательный стенд SCaN мог обмениваться данными со спутниковой системой слежения и ретрансляции данных НАСА на низкой околоземной орбите и наземной станцией в исследовательском центре Гленна в Кливленде.
Когнитивное радио на наземной станции принимало решение о «действии» или наборе рабочих параметров для радио, которые оно направляло передатчику испытательного стенда и двум модемам. Действие содержало конкретную скорость передачи данных, схему модуляции и уровень мощности для передатчика испытательного стенда и модемов наземной станции. Первые тесты завершились в мае 2017 года. Радиосистема работала в динамических и сложных условиях связи, включая колебания в атмосфере и погоде. Зачастую солнечные панели и другие выступы на МКС создавали большое количество эхо и отражений, которые эта система должна была учитывать.
Во время каждого прохода МКС нейронная сеть сравнивает качество линии связи с данными предыдущих проходов. Затем она выбирает предыдущий проход с условиями, которые наиболее похожи на условия текущего, в качестве отправной точки для установки. После этого нейронная сеть настраивала параметры радио в соответствии с условиями текущего прохода. Эти настройки включали в себя все элементы беспроводного сигнала, включая скорость передачи данных и модуляцию. Если использования только одного прохода было недостаточно, то система создавала индивидуальное решение из нескольких предыдущих проходов.
Радиоприемник автономно выбирал настройки, чтобы избежать потери контакта, и связь оставалась стабильной. Он также обладал достаточной мощностью сигнала для отправки данных.
Тем не менее, этот эксперимент также выявил несколько проблем, которые необходимо решить, прежде чем использовать новые радиостанции.
Самую большую проблему назвали «катастрофическим забвением». Это происходит, когда нейронная сеть получает слишком много новой информации слишком быстро и поэтому забывает много из того, чему уже обучилась. В таких ситуациях возможности когнитивного радио значительно ухудшались. Тогда ученые решили внедрить обучение ансамблем — экспериментальную технику, в которой используется набор нейронных сетей, и каждая отвечает за обучение в ограниченном наборе условий — в данном случае, на конкретном типе канала связи. Мета-нейронная сеть решает, какие сети использовать в текущей ситуации.
После внедрения такого типа обучения в августе 2018 года исследователи обнаружили, что количество случаев катастрофического забвения снизилось. Однако остались вопросы к самой мета-нейронной сети, например, к тому, как обучить ее выбирать лучшие из доступных сетей при конкретном сценарии.
Для дальнейшей демонстрации возможностей когнитивной космической связи НАСА планирует запустить созвездие из трех кубсатов в ближайшие несколько лет. Его намерены использовать в качестве системы ретрансляции, чтобы выяснить, как несколько когнитивных радиостанций могут работать вместе.
См. также:
