वायरलेस डेटाची वाढती मागणी मर्यादित रेडिओ स्पेक्ट्रमवर दबाव आणत आहे. डायनॅमिक स्पेक्ट्रम सामायिकरण एकाधिक वापरकर्त्यांना समान फ्रिक्वेन्सीमध्ये हुशारीने प्रवेश करण्यास अनुमती देऊ शकते, तर कृत्रिम बुद्धिमत्ता हस्तक्षेप व्यवस्थापित करण्यात आणि भविष्यातील तंत्रज्ञान जसे की स्वायत्त वाहने आणि रिमोट शस्त्रक्रिया करण्यास मदत करू शकते.

कोलंबस: प्रत्येक वेळी तुम्ही फोन कॉल करता, व्हिडिओ स्ट्रीम करता किंवा वाय-फाय शी कनेक्ट करता, तुमचे डिव्हाइस हवेतून अदृश्य सिग्नल पाठवत आणि प्राप्त करत असते. त्याचप्रमाणे तुमच्या बाळाचा मॉनिटर, गॅरेजचा दरवाजा उघडणारा, GPS, हवामानाचे निरीक्षण करणारे उपग्रह आणि विमानांना सुरक्षितपणे वेगळे ठेवणारे रडार आहेत. हे सर्व एकाच अदृश्य स्त्रोतावर अवलंबून आहेत: रेडिओ स्पेक्ट्रम.

वायरलेस डेटाची मागणी — स्मार्टफोन, व्हिडिओ स्ट्रीमिंग आणि अब्जावधी कनेक्टेड डिव्हाइसेसद्वारे चालवली जाते — स्पेक्ट्रमची कमतरता उपलब्ध करून देत सतत वाढत आहे. पण तो तसाच राहायचा नाही. वायरलेस कम्युनिकेशन्सचा अभ्यास करणारा इलेक्ट्रिकल अभियंता म्हणून, मी रेडिओ स्पेक्ट्रम सप्लाय क्रंचला संबोधित करण्यासाठी काम करणाऱ्या संशोधन क्षेत्राचा एक भाग आहे.

डायनॅमिक स्पेक्ट्रम शेअरिंग हे समाधान अभियंते आणि नियामक विकसित करत आहेत. मूळ कल्पना सरळ आहे: स्पेक्ट्रमचा काही भाग केवळ एका वापरकर्त्यासाठी कायमचा राखून ठेवण्याऐवजी, एकाधिक वापरकर्त्यांना समान फ्रिक्वेन्सी सामायिक करण्याची परवानगी द्या — हुशारीने आणि स्पष्ट नियमांसह त्यांना एकमेकांच्या सिग्नलमध्ये हस्तक्षेप करण्यापासून रोखण्यासाठी.

रेडिओ स्पेक्ट्रम इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक स्पेक्ट्रमच्या खालच्या टोकाला असतो, ज्यामध्ये मायक्रोवेव्ह, प्रकाश आणि क्ष-किरणांच्या खाली वारंवारता असते. वेगवेगळ्या फ्रिक्वेन्सीवर चालणारे आणि हवेतून सिग्नल वाहून नेणारे अदृश्य महामार्गांचा एक विशाल संग्रह म्हणून तुम्ही याचा विचार करू शकता. दूरदर्शन, हवाई वाहतूक नियंत्रण, सेलफोन आणि दूरच्या ताऱ्यांचे रिमोट सेन्सिंग — ते सर्व एकाच अदृश्य रस्त्याच्या नेटवर्कच्या वेगवेगळ्या भागांवर प्रवास करतात.

हे दळणवळण महामार्ग पाणबुडीच्या दळणवळणासाठी वापरल्या जाणाऱ्या अत्यंत कमी फ्रिक्वेन्सीपासून ते दृश्यमान प्रकाशापर्यंत पोहोचणाऱ्या फ्रिक्वेन्सीपर्यंत एक प्रचंड श्रेणी व्यापतात. उच्च फ्रिक्वेन्सी कमी अंतरावर सिग्नल वाहून नेतात परंतु विस्तीर्ण महामार्गांद्वारे अधिक डेटा हलवू शकतात. मूलभूत भौतिकशास्त्राचा विषय म्हणून जवळपास जाण्याइतकाच स्पेक्ट्रम असल्यामुळे, सरकारांनी ऐतिहासिकदृष्ट्या अनन्य परवाने जारी करून व्यवस्थापित केले आहे — विशिष्ट महामार्ग विशिष्ट वापरकर्त्यांना समर्पित करून आणि इतर सर्वांना दूर राहण्यास सांगून.

या प्रणालीने अनेक दशके पुरेशी काम केली, विशेषत: मागणीसाठी महामार्ग नेटवर्क पुरेसे असल्याने. बऱ्याच वर्षांपासून वास्तविक स्पेक्ट्रमच्या वापराचे मोजमाप करणाऱ्या अभ्यासात काहीतरी आश्चर्यकारक आढळले आहे: परवानाकृत स्पेक्ट्रमचे मोठे भाग बहुतेक वेळा निष्क्रिय असतात. उदाहरणार्थ, लष्करी रडार यंत्रणा ठराविक दिवसांमध्येच काही ठिकाणी काम करू शकते.

रेडिओ स्पेक्ट्रमची वाढती मागणी यापैकी काही रस्ते ट्रॅफिक जामने अडकले आहेत, तर इतर जवळपास पूर्णपणे रिकामे आहेत.

रेडिओसाठी वाहतूक नियंत्रण

डायनॅमिक स्पेक्ट्रम शेअरिंग कार्य करण्यासाठी रेडिओ आवश्यक आहेत जे भूतकाळातील स्थिर-फ्रिक्वेंसी उपकरणांपेक्षा अधिक लवचिक आहेत.

आजचे स्मार्टफोन आणि वायरलेस उपकरणे सॉफ्टवेअर-परिभाषित रेडिओ तंत्रज्ञानावर वाढत्या प्रमाणात तयार केली जात आहेत, याचा अर्थ ते ज्या फ्रिक्वेन्सीवर चालतात त्या हार्डवेअरमध्ये लॉक करण्याऐवजी सॉफ्टवेअरद्वारे समायोजित केल्या जाऊ शकतात. एका लेनमध्ये कायमचे अडकून राहण्यापेक्षा आपोआप लेन बदलू शकणाऱ्या कारप्रमाणे याचा विचार करा. सुरुवातीच्या संशोधकांनी या “कॉग्निटिव्ह रेडिओ”मागील दृष्टी म्हटले – रेडिओची कल्पना जी त्याचे वातावरण जाणू शकेल आणि त्यानुसार अनुकूल होईल.

ही लवचिकता स्पेक्ट्रम सामायिकरणासाठी एक स्तरित दृष्टिकोनाचे दरवाजे उघडते. पदानुक्रमाच्या शीर्षस्थानी विद्यमान प्राथमिक वापरकर्ते बसतात – जे सैन्य किंवा परवानाधारक प्रसारक यांसारख्या वारंवारतेचे विद्यमान अधिकार धारण करतात. त्यांच्या खाली, इतर दुय्यम वापरकर्ते त्याच स्पेक्ट्रममध्ये प्रवेश करू शकतात जेव्हा आणि कोठे पदाधिकारी त्याचा वापर करत नाहीत, ज्या क्षणी पदावर परत येतो त्या क्षणी आपोआप बाजूला पडून.

तुम्ही घरी वापरत असलेल्या वाय-फाय फ्रिक्वेन्सीमध्ये या प्रकारच्या शेअरिंगची आणखी दैनंदिन आवृत्ती आधीपासूनच अस्तित्वात आहे. अनेक उपकरणे — तुमचा लॅपटॉप, फोन आणि स्मार्ट टीव्ही — प्रत्येकाला समर्पित स्लॉट न देता केंद्रीय प्राधिकरणाने समान स्पेक्ट्रम शेअर करा. ते प्रसारित करण्यापूर्वी चॅनेल व्यस्त आहे की नाही हे थोडक्यात ओळखून आणि गर्दीच्या गोष्टींवर आधारित त्यांचा वेग आपोआप समायोजित करून हे करतात. प्रोटोकॉल चार-मार्गी स्टॉपवरील ड्रायव्हर्स सारखा दिसतो – अनौपचारिक नियम जे बहुतेक रहदारी निर्देशित केल्याशिवाय कार्य करतात.

युनायटेड स्टेट्समधील डायनॅमिक स्पेक्ट्रम शेअरिंगचे एक महत्त्वाचे अलीकडील उदाहरण म्हणजे 3.5 GHz फ्रिक्वेन्सी बँडमध्ये कार्यरत असलेली सिटीझन्स ब्रॉडबँड रेडिओ सेवा किंवा CBRS. फेडरल कम्युनिकेशन्स कमिशनने त्रिस्तरीय प्रणाली तयार केली. विद्यमान वापरकर्ते – प्रामुख्याने यूएस नेव्ही रडार सिस्टम – शीर्षस्थानी बसतात. प्राधान्य प्रवेशासाठी पैसे देणारे व्यवसाय आणि संस्था मध्यभागी बसतात. आणि जे काही शिल्लक आहे ते सामान्य जनता वापरू शकते.

मध्यवर्ती संगणक प्रणाली — स्पेक्ट्रम ऍक्सेस सिस्टम — रिअल-टाइम ट्रॅफिक कंट्रोलर म्हणून काम करते, नेव्ही रडार कुठे सक्रिय आहे ते सतत ट्रॅक करते आणि इतर प्रत्येकासाठी आपोआप प्रवेश समन्वयित करते. जेव्हा एखादे नौदलाचे जहाज तुमच्या क्षेत्रातील स्पेक्ट्रम वापरत नाही, तेव्हा रुग्णालये, कारखाने, गोदामे आणि परिसर त्यांच्या स्वतःच्या खाजगी वायरलेस नेटवर्कसाठी ते वापरू शकतात. जेव्हा नौदलाला त्याची परत गरज असते, तेव्हा बाकीचे सगळे काही सेकंदात बाजूला होतात.

हस्तक्षेप सुमारे मिळत

स्पेक्ट्रम सामायिकरणातील सर्वात मोठा तांत्रिक अडथळा म्हणजे हस्तक्षेप – जेव्हा दोन सिग्नल एकमेकांना ओव्हरलॅप करतात आणि एकमेकांना ओरडतात तेव्हा काय होते, जसे की दोन लोक एकाच वेळी तुमच्या कानात वेगवेगळ्या गोष्टी ओरडतात. जसजसे अधिक उपकरणे हवेच्या लहरींवर गर्दी करतात, प्रत्येकाची विविध उर्जा पातळी आणि बँडविड्थची आवश्यकता असते, सिग्नलला टक्कर होण्यापासून रोखणे अधिक जटिल होत जाते.

माझी प्रयोगशाळा आणि इतर संशोधक आता मदतीसाठी कृत्रिम बुद्धिमत्तेकडे वळत आहेत. AI अनुभवातून शिकू शकते आणि बदलत्या परिस्थितींशी रिअल टाइममध्ये जुळवून घेऊ शकते — कोण कधी आणि कोणत्या पॉवर लेव्हलवर प्रसारित करते हे ठरवणे, जुन्या नियम-आधारित सिस्टम करू शकत नाही अशा प्रकारे. त्याच वेळी, नवीन आव्हाने उदयास येत आहेत, जसे की उपग्रह आणि ग्राउंड-आधारित नेटवर्कला समान फ्रिक्वेन्सी सामायिक करण्याची गरज आहे.

रेडिओ स्पेक्ट्रम ज्या प्रकारे व्यवस्थापित केले जाते ते स्वयंपाकघर-टेबल समस्येसारखे वाटू शकत नाही, परंतु आपला फोन किती वेगाने व्हिडिओ लोड करतो ते कारखाना आपला मजला स्वयंचलित करू शकतो की नाही आणि ग्रामीण शाळेच्या इंटरनेट प्रवेशाची विश्वासार्हता या सर्व गोष्टींना आकार देतो. भविष्यातील वायरलेस तंत्रज्ञान, ज्यात सेल्फ-ड्रायव्हिंग कार कनेक्ट करतात आणि रिमोट शस्त्रक्रिया सक्षम करतात, पुरेशा स्पेक्ट्रममध्ये प्रवेश करण्यावर अवलंबून असतील. डायनॅमिक स्पेक्ट्रम शेअरिंग हा आधीपासून असलेल्या सिस्टीम्सचा नाश न करता या सर्वांसाठी जागा निर्माण करण्याचा एक मार्ग आहे.

वायु लहरी मर्यादित आहेत. परंतु हुशार व्यवस्थापनासह, ते एकवेळ वाटले होते त्यापेक्षा बरेच काही करू शकतात.