การจัดการสเปกตรัมแบบไดนามิก

การจัดการสเปกตรัมแบบไดนามิก ( DSM ) หรือที่เรียกว่าการเข้าถึงสเปกตรัมแบบไดนามิก ( DSA ) คือชุดของเทคนิคที่อิงตามแนวคิดเชิงทฤษฎีในทฤษฎีสารสนเทศ เครือข่าย และทฤษฎีเกมซึ่งกำลังได้รับการวิจัยและพัฒนาเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของเครือข่ายการสื่อสารโดยรวม^{[ 1 ] [ 2 ]}แนวคิดของ DSM ยังดึงหลักการมาจากสาขาการเพิ่มประสิทธิภาพข้ามเลเยอร์ ปัญญาประดิษฐ์การเรียนรู้ของเครื่องฯลฯ ซึ่งเพิ่งเป็นไปได้เมื่อไม่นานมานี้ด้วยความพร้อมใช้งานของวิทยุที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์เนื่องจากการพัฒนาโปรเซสเซอร์ที่เร็วพอทั้งในเซิร์ฟเวอร์และเทอร์มินัล เทคนิคเหล่านี้เป็นเทคนิคสำหรับการ เพิ่มประสิทธิภาพ แบบร่วมมือกันซึ่งสามารถเปรียบเทียบหรือเชื่อมโยงกับการเพิ่มประสิทธิภาพของลิงก์หนึ่งในเครือข่ายโดยคำนึงถึงการสูญเสียประสิทธิภาพในหลายลิงก์ที่ได้รับผลกระทบในทางลบจากการเพิ่มประสิทธิภาพเพียงครั้งเดียวนี้

โดยทั่วไปแล้วจะนำไปใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเครือข่ายสายสมาชิกดิจิทัล ( DSL ) อีกหนึ่งการประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้ของ DSM คือการนำไปใช้กับวิทยุแบบรู้คิด (Cognitive Radio )

หลักการสำคัญและทั่วไปของ DSM ได้แก่:

• การปรับลิงก์
• การจัดการแบนด์วิดท์
• MIMO สำหรับผู้ใช้หลายคน
• การยกเลิกการรบกวนที่คาดการณ์ไว้ล่วงหน้า
• การรวมช่องสัญญาณที่ไม่ได้ใช้งาน (ไม่ได้จัดสรรไว้ล่วงหน้า) สำหรับผู้ใช้รายเดียวหรือการรวมช่องสัญญาณหลายช่องเข้าด้วยกัน

DSM สามารถทำได้บนเครือข่ายสายโทรศัพท์ทองแดงทั่วไปโดยการลดหรือกำจัดสัญญาณรบกวนการแทรกแซงและปัญหาระยะใกล้-ไกลภายในเครือข่าย DSL โดยเฉพาะอย่างยิ่งส่งผลกระทบต่อสายโทรศัพท์ DSL ที่อยู่ใกล้กันในตัวเชื่อมต่อ^{[ 3 ] [ 4 ]}

เทคนิคนี้ประกอบด้วยวิธีการหลายอย่าง:

• ตรวจสอบสถานะของระดับสัญญาณรบกวนอย่างต่อเนื่องโดยใช้ปริมาณบิตปัจจุบันเปรียบเทียบกับอัตราบิต สูงสุดที่ทำได้ จำนวนวินาทีที่เกิดข้อผิดพลาด จำนวนวินาทีที่เกิดข้อผิดพลาดร้ายแรง จำนวนการแก้ไขข้อผิดพลาดล่วงหน้า (FEC) และตัดสินใจเกี่ยวกับสาเหตุของสถานการณ์ที่ทำงานได้ไม่เต็มประสิทธิภาพ รวมถึงบังคับให้ลิงก์ฝึกฝนในลักษณะเฉพาะ
• ระบุสายเคเบิลในบริเวณใกล้เคียงที่อยู่ในแฟ้มเก็บสายเคเบิลซึ่งอาจก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนที่ไม่พึงประสงค์ และลด กำลังส่งสัญญาณ ขา ขึ้น จนกว่าอัตราการส่งข้อมูลจะเหมาะสมกับเครือข่าย
• การเพิ่มหรือลดปริมาณค่าโอเวอร์เฮดการแก้ไขข้อผิดพลาดล่วงหน้าที่ใช้กับสัญญาณที่ส่งผ่านสายเคเบิล เพื่อตอบสนองต่อความรุนแรงของสัญญาณรบกวนหรือตัวก่อกวนที่เกี่ยวข้อง
• การปรับเปลี่ยนข้อจำกัดเกี่ยวกับระดับกำลังไฟฟ้าที่อนุญาตบนสายเคเบิล รูปแบบโทนเสียงที่สามารถโหลดบิตได้ หรือรูปแบบความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังไฟฟ้า เพื่อลดการรบกวนที่เกิดจากอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ที่มากเกินไป ซึ่งทำให้ SNR บนสายอื่นๆ ลดลง
• ฮาร์ดแวร์โมเด็ม ( อุปกรณ์ปลายทางของผู้บริโภค ) ปรับการตั้งค่าการส่งสัญญาณเพื่อให้ได้ สัญญาณ การมอดูเลชั่นแบบมัลติโทนแบบไม่ต่อเนื่อง (DMT) ที่เหมาะสมที่สุด (ซึ่งไม่ใช่ DSM โดยตรง และสามารถทำได้แม้ไม่มี DSM) การปรับแต่งฮาร์ดแวร์นี้ถูกบังคับจากตำแหน่งตรวจสอบส่วนกลางและนำไปใช้กับเครือข่ายอุปกรณ์ปลายทางของผู้บริโภคโดยรวม เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเครือข่ายโดยรวมให้เหมาะสมที่สุด

การประยุกต์ใช้การเข้าถึงสเปกตรัมแบบไดนามิกที่สำคัญอย่างหนึ่งคือในเครือข่ายไร้สาย สเปกตรัมซึ่งเป็นทรัพยากรหลักสำหรับการสื่อสารไร้สาย มีบทบาทสำคัญในตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลักของเครือข่าย เช่น ความครอบคลุม คุณภาพการบริการ ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และความน่าเชื่อถือ บริการสื่อสารไร้สายส่วนใหญ่ให้บริการภายใต้การจัดสรรสเปกตรัมคงที่ซึ่งกำหนดไว้ล่วงหน้าโดยหน่วยงานกำกับดูแลและจัดสรรโดยการประมูลให้กับผู้ให้บริการ กระบวนการจัดสรรสเปกตรัมนี้ไม่มีประสิทธิภาพอย่างมาก ส่งผลให้มีการใช้สเปกตรัมต่ำกว่าศักยภาพอย่างมาก แม้ว่าประสิทธิภาพการใช้สเปกตรัมของเทคโนโลยีไร้สายจะดีขึ้นเรื่อยๆ แต่ความต้องการแบนด์วิดท์ก็เกินกว่าความพร้อมของสเปกตรัมสำหรับบริการและเครือข่ายการสื่อสารใหม่ๆ อย่างน่าประหลาดใจ การสำรวจสเปกตรัมหลายครั้งแสดงให้เห็นว่าการใช้สเปกตรัมย่อย 3 GHz ทั้งในเชิงพื้นที่และเวลาทั่วโลกน้อยกว่า 20% ^{[ 5 ]}และน้อยกว่า 11% ในพื้นที่ชนบท^{[ 6 ]}ในบริบทนี้ เครือข่ายการเข้าถึงสเปกตรัมแบบไดนามิก (DSA) ช่วยให้สามารถใช้สเปกตรัมที่ไม่ได้ใช้หรือใช้ต่ำกว่าศักยภาพในพื้นที่เฉพาะหรือในช่วงเวลาที่กำหนดได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยการใช้ประโยชน์จากคลื่นความถี่ที่ได้รับอนุญาตแต่ไม่ได้ใช้งาน หรือโดยการกระจายคลื่นความถี่ให้เหมาะสมกับความต้องการบริการที่เปลี่ยนแปลงไป จะสามารถบรรลุประสิทธิภาพการใช้คลื่นความถี่ที่สูงขึ้นได้^{[ 7 ]}

เทคนิคและวิธีการเข้าถึงและจัดการคลื่นความถี่แบบไดนามิกบางส่วน ได้แก่:

• การตรวจจับสเปกตรัมแบบร่วมมือกัน โดยที่โหนดวิทยุแบบรู้คิดหลายโหนดใช้ประโยชน์จากโมเดล AI เพื่อตรวจจับสเปกตรัมที่ไม่ได้ใช้งานโดยการระบุสัญญาณผู้ใช้หลักร่วมกัน^{[ 8 ]}และตรวจจับโหนดที่ซ่อนอยู่ด้วยตนเอง จึงหลีกเลี่ยงการรบกวน^{[ 9 ]}
• การทำนายคลื่นความถี่ โดยใช้แบบจำลองการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อคาดการณ์ความพร้อมใช้งานของคลื่นความถี่ในอนาคตโดยใช้ข้อมูลการใช้งานในอดีต ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้คลื่นความถี่
• การตัดสินใจและการจัดสรรคลื่นความถี่ คือการเลือกแถบคลื่นความถี่ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับบริการ พื้นที่ และช่วงเวลาที่กำหนด โดยพิจารณาจากความพร้อมใช้งานในปัจจุบัน ความต้องการของผู้ใช้ สภาพเครือข่าย และคุณภาพของคลื่นความถี่
• การจัดการสัญญาณรบกวนแบบเรียลไทม์ด้วยอัลกอริธึมการเรียนรู้แบบเสริมแรง ช่วยให้วิทยุสื่อสารแบบรู้คิดสามารถจัดการและลดทอนสัญญาณรบกวนจากอุปกรณ์อื่นๆ ได้อย่างเหมาะสมแบบเรียลไทม์

• สเปกตรัมที่ถูกขัดจังหวะ

• เพิ่มความเร็วอินเทอร์เน็ตโดยไม่ต้องใช้ไฟเบอร์ออปติก
• ECI Telecom เตรียมเพิ่มความเร็ว DSL เป็นสองเท่า
• โครงการ DSM — ศาสตราจารย์ จอห์น ชิโอฟฟี
• โครงการ Fast Copper — มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน
• สิ่งพิมพ์เกี่ยวกับการจัดการสเปกตรัมแบบไดนามิก — ราฟาเอล เซนดริลลอน