La Nasa per le future missioni su Marte ha testato la radio cognitiva potenziata dalla rete neurale

Lo spazio cosmico sembra vuoto, non lasciarti ingannare non è l’ambiente perfetto per le comunicazioni radio, ci sono molte cose che possono interromperle. La ionosfera fluttuante terrestre può compromettere un collegamento tra un satellite e una stazione terrestre. I materiali dell’antenna possono essere distorti mentre si riscaldano e si raffreddano. E il quasi vuoto dello spazio è pieno di emanazioni radio ambientali di basso livello, note come rumore cosmico, provengono da lontani quasar, dal Sole e dal centro della nostra galassia della Via Lattea, questo rumore include anche la radiazione cosmica di fondo a microonde, un fantasma del Big Bang.
Le fonti cosmiche sebbene deboli, possono sopraffare un segnale wireless su distanze interplanetarie, inoltre, a seconda della missione di un veicolo spaziale, o anche della particolare fase della missione, possono essere indispensabili diverse qualità di collegamento, massimizzare la velocità di trasmissione dei dati, ridurre al minimo il consumo di energia o garantire il superamento di determinati dati critici. Il sistema di comunicazione per mantenere la connettività deve costantemente adattare le sue operazioni all’ambiente circostante.
Immagina un gruppo di astronauti su Marte, per connettersi a una stazione terrestre sulla Terra, faranno affidamento su un satellite di relè in orbita su Marte, quando l’ambiente spaziale cambia e i pianeti si spostano l’uno rispetto all’altro, le impostazioni radio sulla stazione di Terra, il satellite in orbita su Marte e il lander marziano avranno bisogno di continui aggiustamenti. Gli astronauti potrebbero attendere da 8 a 40 minuti, la durata di un viaggio di andata e ritorno del segnale, per ricevere istruzioni dal controllo della missione su come regolare le impostazioni: un’alternativa migliore è che le radio utilizzino le reti neurali per regolare le loro impostazioni in tempo reale.

Radio cognitiva
Le reti neurali mantengono e ottimizzano la capacità di una radio di rimanere in contatto, anche in condizioni estreme come l’orbita marziana, invece di aspettare che un essere umano sulla Terra dica alla radio come adattare i suoi sistemi (i comandi nel frattempo potrebbero essere obsoleti) una radio con una rete neurale può farlo al volo. Tale dispositivo è chiamato radio cognitiva. La sua rete neurale rileva autonomamente i cambiamenti nel suo ambiente, di conseguenza regola le sue impostazioni e, soprattutto, impara dall’esperienza. Ciò significa che una radio cognitiva può provare nuove configurazioni in nuove situazioni, il che la rende più robusta in ambienti sconosciuti rispetto a una radio tradizionale. Le radio cognitive sono quindi ideali per le comunicazioni spaziali, in particolare molto al di là dell’orbita terrestre, in cui gli ambienti sono relativamente sconosciuti, l’intervento umano è impossibile e mantenere la connettività è vitale.
La Worcester Polytechnic Institute e la Penn State University, in collaborazione con la Nasa, recentemente hanno testato le prime radio cognitive progettate per operare nello Spazio e mantenere le missioni a contatto con la Terra, hanno detto:
«Nei nostri test, anche le radio cognitive più elementari hanno mantenuto un chiaro segnale tra la Stazione Spaziale Internazionale (ISS) e il suolo. Riteniamo che con ulteriori ricerche, le radio cognitive più avanzate e più capaci in futuro possano svolgere un ruolo integrante in missioni di successo nello spazio profondo, dove non ci sarà margine di errore».
I futuri equipaggi sulla Luna e su Marte tra i vari compiti dovranno raccogliere campioni sul campo, eseguire esperimenti scientifici, condurre indagini sulla Terra e mantenere le loro attrezzature funzionanti. Le radio cognitive libereranno quegli equipaggi dall’impegno di mantenere il collegamento di comunicazione, ancora più importante è che le radio cognitive aiuteranno a garantire che un evento imprevisto nello spazio profondo non recida il collegamento, tagliando l’ultimo legame dell’equipaggio sulla Terra, a milioni di chilometri di distanza.

Idea della radio cognitiva
Il concetto di radio cognitiva fu proposto per la prima volta nel 1998 da Joseph Mitola III in un seminario presso il KTH (il Royal Institute of Technology di Stoccolma), da allora, sono stati intrapresi molti progetti di radio cognitiva, ma la maggior parte ha avuto una portata limitata o ha testato solo una parte di un sistema. Le radio cognitive più robuste testate finora sono state costruite dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti.
Gli ingegneri durante la progettazione di un sistema di comunicazione wireless tradizionale, utilizzano generalmente modelli matematici per rappresentare la radio e l’ambiente in cui opererà. I modelli cercano di descrivere come i segnali potrebbero riflettersi dagli edifici o propagarsi nell’aria umida, ma nemmeno i migliori modelli possono catturare la complessità di un ambiente reale.
La radio cognitiva e la rete neurale che la fa funzionare impara dall’ambiente stesso, piuttosto che da un modello matematico. La rete neurale riceve dati sull’ambiente, ad esempio quali modulazioni di segnale funzionano meglio o quali frequenze si stanno propagando più lontano. Elabora tali dati per determinare quali dovrebbero essere le impostazioni della radio per un collegamento ottimale. La caratteristica chiave di una rete neurale è che, nel tempo, è in grado di ottimizzare le relazioni tra gli input e il risultato, questo processo è noto come formazione.

Test per le radio cognitive
La radio in un ambiente rumoroso in cui un segnale non viene trasmesso, potrebbe prima provare ad aumentare la sua potenza di trasmissione, determinerà quindi se il segnale ricevuto è più chiaro; in tal caso, la radio aumenterà maggiormente la potenza di trasmissione, per vedere se ciò migliora ulteriormente la ricezione, ma se il segnale non migliora, potrebbe provare un altro approccio, come la commutazione delle frequenze. La radio in entrambi i casi, ha imparato maggiormente su come ottenere un segnale attraverso il suo attuale ambiente.
Addestrare una radio cognitiva significa regolare costantemente la sua potenza di trasmissione, la velocità dei dati, la modulazione del segnale o qualsiasi altra impostazione che ha acquisito per imparare a fare meglio il suo lavoro, qualsiasi radio cognitiva richiederà un addestramento iniziale prima di essere lanciata, questa formazione in seguito serve da guida per migliorare la radio. La rete neurale una volta che ha ricevuto un po’ di addestramento ed è nello Spazio, può regolare autonomamente le impostazioni della radio come necessario per mantenere un collegamento forte indipendentemente dalla sua posizione nel sistema solare. La radio cognitiva per controllare le sue impostazioni di base, utilizza un sistema wireless chiamato “radio definita dal software”. Le funzioni principali che sono implementate con l’hardware in una radio convenzionale sono realizzate con il software in una radio definita dal software, tra cui il filtraggio, l’amplificazione e la rilevazione dei segnali, questo tipo di flessibilità è essenziale per una radio cognitiva.

Banco di prova SCaN (Space Communications and Navigation)
Esistono diversi motivi di base per cui gli esperimenti sulla radio cognitiva sono per lo più ancora di portata limitata, alla base, le reti neurali sono algoritmi complessi che necessitano di enormi quantità di dati per funzionare correttamente. Richiedono anche molta potenza computazionale per arrivare rapidamente alle conclusioni. L’hardware della radio deve essere progettato con sufficiente flessibilità per adattarsi a tali conclusioni. E qualsiasi radio cognitiva di successo deve far funzionare insieme questi componenti. Lo sforzo dei ricercatori di creare una radio cognitiva a prova di concetto per le comunicazioni spaziali è stato possibile solo grazie al banco di prova SCaN (Space Communications and Navigation) all’avanguardia sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS).
Glenn Research Center della Nasa ha creato il banco di prova SCaN appositamente per studiare l’uso di radio nello spazio definite dal software. Il banco di prova è stato lanciato dallo Japan Aerospace Exploration Agency e installato sul telaio reticolare principale della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) nel luglio 2012. Il banco di prova SCaN fino al suo smantellamento a giugno 2019, ha permesso ai ricercatori di testare la capacità delle radio definite dal software di soddisfare le richieste attese dalle radio nello spazio, come la riconfigurazione in tempo reale delle operazioni orbitali, lo sviluppo e la verifica di nuovi software per le reti spaziali personalizzate e, soprattutto le comunicazioni cognitive.
Il banco di prova consisteva in tre radio definite dal software che trasmettevano nella banda S (da 2 a 4 gigahertz) e nella banda Ka (da 26,5 a 40 GHz) e ricevevano nella banda L (da 1 a 2 GHz). Il banco di prova SCaN potrebbe comunicare con il sistema satellitare di tracciamento e trasmissione dati della Nasa in orbita terrestre bassa e una stazione di Terra presso il Glenn Research Center della Nasa, a Cleveland.
Nessuno ha mai usato un sistema radio cognitivo in una missione nello spazio profondo, né lo faranno, fino a quando la tecnologia non sarà stata accuratamente controllata. Il banco di prova SCaN offriva la piattaforma ideale per testare la tecnologia in un ambiente meno ostile vicino alla Terra. I ricercatori nel 2017 hanno costruito un sistema radio cognitivo per comunicare tra modem a Terra e banco di prova. I loro sarebbero i primi esperimenti radio cognitivi mai condotti nello spazio.
I ricercatori hanno detto:
«Nei nostri esperimenti, il banco di prova SCaN era un supporto per la radio su una sonda nello spazio profondo. È essenziale per una sonda nello spazio profondo per mantenere il contatto con la Terra, altrimenti, l’intera missione potrebbe essere condannata. Ecco perché il nostro obiettivo principale era dimostrare che la radio poteva mantenere un collegamento di comunicazione regolando le sue impostazioni radio in modo autonomo. Mantenere un’alta velocità di trasmissione dei dati o un segnale affidabile rappresentava una priorità più bassa».
La radio cognitiva presso la stazione di terra deciderà su una “azione”, o insieme di parametri operativi per la radio. L’azione ha dettato una specifica velocità dei dati, uno schema di modulazione e un livello di potenza per il trasmettitore del banco di prova e i modem della stazione di terra che molto probabilmente sarebbero efficaci nel mantenere il collegamento wireless.
I ricercatori hanno completato i primi test durante una finestra di due settimane a maggio 2017, non hanno avuto molto tempo, in genere hanno utilizzato solo due passaggi il giorno, ciascuno della durata di soli 8 o 9 minuti.
La Stazione Spaziale Internazionale (ISS) non passa sopra gli stessi punti sulla Terra durante ogni orbita, quindi c’è un numero limitato di opportunità per ottenere una connessione di linea di vista con una particolare posizione. Il loro sistema radio nonostante il numero limitato di passaggi, ha sperimentato molte condizioni di collegamento dinamiche e impegnative, comprese le fluttuazioni dell’atmosfera e del tempo. Spesso i pannelli solari e altre sporgenze sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) hanno creato un gran numero di echi e riflessioni che il sistema ha dovuto prendere in considerazione. La rete neurale durante ogni passaggio confrontava la qualità del collegamento di comunicazione con i dati dei passaggi precedenti. La rete seleziona quindi il passaggio precedente con le condizioni più simili a quelle del passaggio corrente come punto di partenza per l’impostazione della radio, quindi, come con la manopola di una radio FM, la rete neurale regolerebbe le impostazioni della radio per adattarsi al meglio alle condizioni del passaggio corrente, queste impostazioni includevano tutti gli elementi del segnale wireless, compresa la velocità e la modulazione dei dati.
La radio cognitiva durante i test ha mostrato chiaramente che potrebbe imparare a mantenere un collegamento di comunicazione. La radio ha selezionato autonomamente le impostazioni per evitare di perdere il contatto, il collegamento è rimasto stabile anche quando la radio si è regolata da sola. Ha anche gestito una potenza del segnale abbastanza forte da inviare dati, anche se non era un obiettivo primario per i ricercatori.

Dimenticanza catastrofica e apprendimento d’insieme
Il successo dei test sul banco di prova SCaN ha dimostrato che le radio cognitive potrebbero essere utilizzate per le missioni nello spazio profondo. Tuttavia, gli esperimenti hanno anche scoperto diversi problemi che dovranno essere risolti prima che queste radio possano essere utilizzate per missioni in un altro pianeta. I ricercatori hanno detto:
«Il problema più grande che abbiamo riscontrato era qualcosa chiamato “dimenticanza catastrofica”. Ciò accade quando una rete neurale riceve rapidamente troppe nuove informazioni, e quindi dimentica molte delle informazioni che già possedeva. Immagina di imparare l’algebra da un libro di testo e quando raggiungi la fine, hai già dimenticato la prima parte e devi ricominciare; quando ciò è accaduto nei nostri esperimenti, le capacità della radio cognitiva si sono notevolmente ridotte perché si stava essenzialmente riprogrammando continuamente in risposta a condizioni ambientali che continuavano a essere sovrascritte. La nostra soluzione era implementare nella radio cognitiva una tattica chiamata “apprendimento d’insieme”. È una tecnica, ancora in gran parte sperimentale, che utilizza una raccolta di reti neurali, ognuna delle quali è responsabile della formazione in un insieme limitato di condizioni, nel nostro caso, su un tipo specifico di collegamento di comunicazione, l’apprendimento può essere più adatto per passaggi della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) con forti interferenze da particelle solari, mentre un altro può essere più adatto per passaggi con distorsioni atmosferiche causate da temporali».
La rete meta-neurale globale decide quali reti utilizzare per la situazione attuale, in questa disposizione, anche se un apprendimento soffre di dimenticanza catastrofica, la radio cognitiva può ancora funzionare. Praticamente per capire il concetto, supponiamo che tu stia imparando a guidare una macchina, un metodo per esercitarsi è passare 100 ore al volante, ipotizzando che imparerai tutto ciò che devi sapere nel processo di guida. È questo attualmente il modo in cui sono addestrate le radio cognitive. La speranza è che ciò che imparano durante la loro formazione sia applicabile a qualsiasi situazione che incontrano, ma cosa succede quando gli ambienti che la radio cognitiva incontra nel mondo reale differiscono significativamente dagli ambienti di addestramento? È come esercitarsi a guidare in autostrada per 100 ore ma poi ottenere un lavoro come autista di camion per le consegne in una città. Potresti eccellere nella guida in autostrada, ma aver dimenticato le basi della guida in uno stressante ambiente urbano.
Ora supponiamo che ti eserciti per un test di guida. Potresti identificare gli scenari su cui verrai probabilmente testato e quindi assicurarti di eccellere in essi. Se sai di non essere all’altezza del parcheggio in parallelo, puoi dare priorità a questa lacuna rispetto ai diritti di precedenza di passaggio a un incrocio di quattro strade con un segnale di stop. La chiave è identificare ciò che dovete imparare piuttosto che dare per scontato che vi eserciterete abbastanza da imparare tutto: nell’apprendimento collettivo, questo è il lavoro della rete meta-neurale.

Rete meta-neurale
La rete meta-neurale per esempio può riconoscere che la radio si trova in un ambiente con un’alta quantità di radiazioni ionizzanti, e quindi selezionerà le reti di apprendimento per quell’ambiente. La rete neurale parte quindi da una linea di base molto più vicina alla realtà, non deve sostituire le informazioni così rapidamente, rendendo molto meno probabile la “catastrofica dimenticanza”.
I ricercatori hanno detto:
«Abbiamo implementato una versione molto basilare dell’apprendimento d’insieme nella nostra radio cognitiva per un secondo ciclo di esperimenti nell’agosto 2018. Abbiamo scoperto che la tecnica ha portato a un minor numero di casi di dimenticanza catastrofica. Tuttavia, ci sono ancora molte domande sull’apprendimento in gruppo: per prima cosa, come si addestra la rete meta-neurale per selezionare i migliori apprendimenti per uno scenario? E come si fa a garantire che un apprendimento, se scelto, padroneggi effettivamente lo scenario per il quale è stato selezionato? Non ci sono ancora risposte precise a queste domande».

Lunar Gateway, Cube Sat e comunicazioni cognitive spaziali
Il banco di prova dello SCaN è stato dismesso per far posto a un esperimento di comunicazione a raggi X, e stata persa l’opportunità per futuri test radio-cognitivi sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Fortunatamente, la Nasa sta progettando una costellazione di tre CubeSat (un tipo di satellite miniaturizzato avente forma cubica, volume di 1 dm³ e massa non superiore a 1,33 kg) per dimostrare ulteriormente le comunicazioni cognitive spaziali, se la missione sarà approvata, la costellazione potrebbe essere lanciata nei prossimi anni. L’obiettivo è quello di usare la costellazione come sistema di relè per scoprire come più radio cognitive possono lavorare insieme.
Chi pianifica future missioni sulla Luna e su Marte sa che avrà bisogno di un accesso alle comunicazioni e alla navigazione più intelligente di quello che abbiamo ora. Gli astronauti non sempre avranno collegamenti di comunicazione diretti con la Terra, per esempio, i segnali inviati da un radiotelescopio sul lato lontano della Luna richiederanno satelliti relay per raggiungere la Terra. Il previsto Lunar Gateway orbitante della Nasa, sarà un importante relè di comunicazione oltre a fungere da area di stazionamento per le missioni di superficie, e come punto d’appoggio per la futura nave spaziale Deep Space Transport, pianificata per missioni verso la Luna e Marte.
Il Lunar Gateway è esattamente il tipo di sistema di comunicazioni spaziali che beneficerà della radio cognitiva. Il ritardo di andata e ritorno per un segnale tra la Terra e la Luna è di circa 2,5 secondi. Trasferendo le operazioni radio ad una radio cognitiva a bordo del Lunar Gateway si risparmieranno secondi preziosi in situazioni in cui quei secondi sono davvero importanti, come il mantenimento del contatto con un lander robotico durante la sua discesa verso la superficie.
I ricercatori in conclusione hanno detto:
«I nostri esperimenti con il banco di prova SCaN hanno dimostrato che le radio cognitive hanno un posto nelle future comunicazioni nello spazio profondo. L’umanità mentre guarda di nuovo all’esplorazione della Luna, di Marte e oltre, sarà fondamentale garantire una connettività affidabile tra i pianeti. Ci sarà anche spazio in abbondanza nel sistema solare, ma non c’è spazio per l’interruzione delle comunicazioni».

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Pino Silvestri

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Pino Silvestri, blogger per diletto, fondatore, autore di Virtualblognews, presente su Facebook e Twitter.
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