Luận văn tốt nghiệp Nghiên cứu và khảo sát kết quả nghiên cứu kết hợp mạng truyền thông hợp tác đa chặng trong môi trường vô tuyến nhận thức

Untitled TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN THỰC TẬP TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ KHẢO SÁT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KẾT HỢP MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC ĐA CHẶNG TRONG MÔI TR[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

NGHIÊN CỨU VÀ KHẢO SÁT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KẾT HỢP MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC ĐA CHẶNG TRONG MÔI

TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

Giảng viên hướng dẫn : TS TRẦN THIÊN THANH Sinh viên thực hiện : ĐOÀN KIM THÀNH

MSSV: 1651150033 Lớp: KM16

TP Hồ Chí Minh, 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGH Ệ THÔNG TIN -

NGHIÊN CỨU VÀ KHẢO SÁT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KẾT HỢP MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC ĐA CHẶNG TRONG MÔI

TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

CHUYÊN NGÀNH: TRUYỀN THÔNG VÀ MẠNG MÁY TÍNH

BÁO CÁO TH ỰC TẬP TỐT NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

TS TRẦN THIÊN THANH

TP HỒ CHÍ MINH – Năm 2020

NH ẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Tp H ồ Chí Minh, ngày … tháng … năm…

Gi ảng viên hướng dẫn

TS Tr ần Thiên Thanh

NH ẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

Tp H ồ Chí Minh, ngày … tháng … năm…

Gi ảng viên phản biện

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng bài báo cáo thực tập tốt nghiệp này được tôi tự thực hiện trong khả năng của mình, không sao chép nội dung từ các nguồn khác dưới bất kỳ hình thức nào Thông qua quá trình tìm kiếm tài liệu, đọc hiểu và nắm bắt được nội dung của tài liệu kết hợp với các kiến thức cá nhân và nhận được sự chỉ dẫn của giáo viên hướng dẫn tôi đã hình thành nên nội dung của bài báo cáo này Do đó, tôi sẽ tự chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung được ghi trong bài báo cáo này

Sinh viên thực hiện

Đoàn Kim Thành

M ỤC LỤC DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT I DANH M ỤC HÌNH ẢNH II

L ỜI NÓI ĐẦU III

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 1

1.1 GI ỚI THIỆU 1

1.2 TRUY ỀN THÔNG HỢP TÁC 2

1.2.1 Khuếch đại và chuyển tiếp (AF) 3

1.2.2 Giải mã và chuyển tiếp (DF) 5

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 6

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC VÀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 7

2 1 GIỚI THIỆU 7

2.2 VÔ TUY ẾN NHẬN THỨC 7

2.2.1 Khái ni ệm vô tuyến nhận thức 8

2.2.2 Ch ức năng vô tuyến nhận thức 8

2.2.3 Mô hình m ạng vô tuyến nhận thức 11

2.2.3.1 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền (underlay) 11

2.2.3.2 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng chồng chập (overlay) 12

2.2.3.3 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng đan xen (interweave) 13

2.2.4 C ấu trúc mạng vô tuyến nhận thức 14

2.3 TRUY ỀN THÔNG HỢP TÁC ĐA CHẶNG TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC .15

2.3.1 Phân tích ưu và nhược điểm của truyền thông hợp tác 15

2.3.2 Mô hình k ết hợp truyền thông hợp tác trong môi trường vô tuyến nhận thức 16

2.4 K ẾT LUẬN CHƯƠNG 2 16

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÔ HÌNH TRUYỀN THÔNG

H ỢP TÁC HIỆU QUẢ TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN

TH ỨC DẠNG NỀN 17

3.1 GI ỚI THIỆU 17

3.2 MÔ HÌNH : TRUY ỀN THÔNG HỢP TÁC TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN DẠNG NỀN 17

3.2.1 Mô hình h ệ thống 17

3.2.2 Phân tích hi ệu năng 20

3.2.2.1 Xác suất nhiễu của hệ thống ( )P I 20

3.2.2.2 Xác suất dừng của mạng thứ cấp (OP) 26

3.2.3 Mô ph ỏng và đánh giá kết quả 27

3.3 K ẾT LUẬN 30

K ẾT LUẬN: 31

TÀI LI ỆU THAM KHẢO: 32

PH Ụ LỤC 34

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp

AWGN Additive white Gaussian noise Nhiễu trắng Gauss cộng tính

CDF Cumulative distribution

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

truyền

DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp

M-PSK Multiple Phase Shift Key Điều chế pha đa mức

OP Outage Probability Xác suất dừng hệ thống

PDF Probability Density Function Hàm mật độ phân bố xác suất

QoS Quality of Services Chất lượng dịch vụ

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số công suất tín hiệu trên

công suất nhiễu

DANH M ỤC HÌNH ẢNH

hình 1 1 Mô hình mạng truyền thông hợp tác [3] 3

hình 1 2 Mô hình khuếch đại và chuyển tiếp [4] 4

hình 1 3 Mô hình giải mã và chuyển tiếp [4] 5

hình 2 1 “Lỗ” hay hố phổ [5] 7

hình 2 2 Chu kỳ cảm nhận phổ tần 11

hình 2 3 Mạng vô tuyến nhận thức dạng nền [11] 12

hình 2 4 Mạng vô tuyến nhận thức dạng chồng chập [11] 12

hình 2 5 Cấu trúc của mạng vô tuyến nhận thức [12] 14

hình 3 1 Mô hình truyền tải đa chặng dạng nền thứ cấp[13] 17

hình 3 2 Xác suất nhiễu

 

hình 3 3 Hệ số back-off ( )  tối đa so với số chặng K 29

L ỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển mạnh mẽ của các dịch vụ truyền thông đa phương tiện hiện nay, truyền thông không dây (wireless communication) phải đối mặt với vấn

đề cạn kiệt nghiêm trọng nguồn tài nguyên tần số Tuy nhiên, thông qua các dự

án đo đạc, các nhà nghiên cứu trong tài liệu [1, 2] đã chỉ ra rằng, việc thiếu hụt tần số vô tuyến hiện nay chủ yếu do việc sử dụng thiếu hiệu quả của các nhà khai thác cũng như thiếu tính linh động trong các chính sách phân bổ tấn số vô tuyến Cụ thể là với chính sách phân bổ tần số cố định như hiện nay, các nhà khai thác dịch vụ viễn thông chỉ được phép sử dụng các dải tần cố định khi được cấp phép Và khi các nhà mạng được cấp phép không sử dụng các dải tần này thì các nhà mạng khác cũng không được phép tận dụng, khai thác

Một giải pháp đầy triển vọng để giải quyết vấn đề này là triển khai các hệ thống vô tuyến nhận thức, các hệ thống này sẽ áp dụng một chính sách mới về việc phân bổ tần số để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần Cụ thể là, phương thức phân bổ tần số mới này, cho phép các người dùng không sở hữu bản quyền

sử dụng tần số (cognitive user) có thể tận dụng truyền thông trên dải tần số của nhà mạng được cấp bản quyền (licensed users) theo một số phương thức nhất định

Để đảm bảo các mạng sở hữu bản quyền tần số (mạng sơ cấp – primary networks) không bị ảnh hưởng bởi việc sử dụng tần số của các mạng vô tuyến nhận thức (secondary networks) trên dải tần của mình, các mạng vô tuyến nhận thức phải thực thi các cơ chế kiểm soát nhiễu (interference control), hoặc cơ chế giảm nhiễu (interference avoidance) Cơ chế kiểm soát nhiễu cho phép mạng vô tuyến nhận thức có thể đồng thời truy cập dải tần cùng một thời điểm với mạng sở hữu bản quyền tần số miễn là các mạng này phải thực hiện điều khiển công suất phát của mình một cách nghiêm ngặt nhằm đảm bảo lượng

nhiễu gây ra cho các mạng sở hữu bản quyền tần số không vượt qua một mức giới hạn được quy định bởi mạng sở hữu bản quyền tần số Đối với cơ chế giảm nhiễu, mạng vô tuyến có ý thức phải thực hiện các cơ chế nhằm loại bỏ hoàn toàn lượng nhiễu gây ra cho mạng sở hữu bản quyền tần số Các mạng vô tuyến

có ý thức phải liên tục giám sát các dải tần được cấp phát để phát hiện ra các dải tần nào đang ở trạng thái không hoạt động (spectrum white holes), và tận dụng các dải tần này để truyền tín hiệu

Mỗi phương thức đều có ưu và nhược điểm Các mạng sử dụng cơ chế điều khiển nhiễu có hiệu quả sử dụng tần số cao hơn do các mạng này có thể truy cập dải tần tại bất kỳ thòi điểm nào nhưng chất lượng truyền thông thường không cao vì công suất phát bị hạn chế Đối với các mạng sử dụng

cơ chế tránh nhiễu thì chất lượng truyền thông cao hơn nhưng cơ chế hoạt động phức tạp vì cần có các cơ chế cảm nhận (sensing) và giám sát các dải tần Hơn nữa hiệu quả sử dụng tần số không cao bằng cơ chế điều khiển nhiễu

Trong những năm gần đây, công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio – CR) được xem như là một giải pháp tiềm năng để cải thiện độ chiếm dụng phổ tần, bị giới hạn bởi chính sách phân bố phổ tần cố định Ý tưởng cơ bản của vô tuyến nhận thức là cho phép các người dùng không đăng ký sử dụng tần

số (người dùng thứ cấp - SU) tận dụng các băng tần đã được cấp phép miễn là

nó không gây ảnh hưởng đến việc truyền dữ liệu của các người dùng đã đăng

ký tần số (người dùng sơ cấp - PU) Do đó, CR được xem là chìa khóa để giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần

Để nâng cao chất lượng dịch vụ và mở rộng vùng phủ sóng cho các mạng vô tuyến có ý thức, một giải pháp khả thi là sử dụng truyền thông hợp tác cho các mạng vô tuyến có ý thức Ý tưởng chính của công nghệ

này là việc truyền thông giữa nguồn và đích được hỗ trợ bởi các nút chuyển tiếp (relay) Kết quả là độ tin cậy của việc truyền thông sẽ tăng lên Thêm vào

đó, thông qua truyền thông hợp tác giảm công suất phát trực tiếp nhưng tăng vùng phủ sóng và điều này cực kỳ hữu ích cho các mạng sử dụng cơ chế điều khiển nhiễu Từ những vấn đề mà truyền thông vô tuyến gặp phải đã thảo luận

ở trên, đề tài của tôi sẽ tiến thành những bước phân tích sâu hơn về các công nghệ để triển khai mạng vô tuyến nhận thức Báo cáo sẽ cung cấp một khung tổng quát cho việc phân tích hiệu năng hoạt động cho mạng vô tuyến nhận thức trong đó có quan tâm đến các ràng buộc về giới hạn mức nhiễu áp đặt lên mạng

Mô hình dạng nền cho hiệu suất sử dụng phổ tốt hơn so với những mô hình còn lại vì cho phép hai hệ thống hoạt động đồng thời Tuy nhiên, công suất phát của thiết bị của mạng thứ cấp bị giới hạn dưới một ngưỡng cho trước, nên vùng phủ sóng bị giới hạn, đây là tính chất của mô hình dạng nền

Bài toán được đăt ra là mở rộng vùng phủ sóng của hệ thống SU, mục tiêu nghiên cứu phối hợp công nghệ truyền thông hợp tác đa chặng vào trong mạng

CR Nút Relay sử dụng: kỹ thuật Khuếch đại và chuyển tiếp (AF) hoặc Giải mã

và chuyển tiếp (DF) để chuyển dữ liệu

Báo cáo được chia làm 3 chương:

• Chương 1: Giới thiệu chung các khái niệm cơ bản và cung cấp kiến thức nền tảng của truyền thông hợp tác

• Chương 2: Giới thiệu chung các khái niệm cơ bản và cung cấp kiến thức nền tảng, các mô hình hệ thống, các kỹ thuật được sử dụng trong mạng vô tuyến có ý thức và truyền thông hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức

• Chương 3: Mô hình hóa một bài toán ứng dụng đặt ra, tiến hành phân tích và đưa ra các công thức để định lượng hiệu năng của mạng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 1.1 GIỚI THIỆU

Trong những năm gần đây truyền thông vô tuyến đã có những bước phát triển vượt bậc và được dự đoán sẽ còn tiếp tục phát triển hơn nữa Để làm cho nhu cầu về tốc độ truyền dữ liệu ngày càng tăng, đặc biệt là trong các hệ thống thông tin tế bào di động Các hệ thống thông tin tế bào di động đã phát triển lên thế hệ thứ 3 (3G) và thứ thế hệ thứ 4 (4G LTE) được triển khai tại nhiều nước trên thế giới Ngoài ra việc nghiên cứu phát triển và thử nghiệm triển khai các công nghệ mới không ngừng diễn ra Các thử nghiệm kỹ thuật cho công nghệ

di động 5G được tiến hành và đạt được những thành tựu lớn Các tập đoàn công nghệ hàng đầu đã trình diễn và thử nghiệm mạng di động 5G đạt tới tốc độ 7.2 Gbps Dự kiến tới năm 2020 mạng 5G sẽ được triển khai trên toàn thế giới Cùng với sự phát triển của các kỹ thuật giúp tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu như các kỹ thuật điều chế, mã hóa, các kỹ thuật phân tập, các hệ thống đa đầu vào

đa đầu ra (MIMO) Một trong những thách thức lớn nhất của các nhà nghiên cứu là giải quyết vấn đề sự cạn kiệt về tài nguyên tần số Tài nguyên tần số là

có hạn và được quy hoạch sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau: thoại, phát thanh, truyền hình, quân sự, thông tin vệ tinh, và truyền dữ liệu Ngoài ra, việc truyền thông trong môi trường không dây phải đối mặt với những hạn chế cơ bản do sự suy yếu tín hiệu gây ra bởi kênh truyền vô tuyến Khi tín hiệu đi từ nguồn đến đích, việc truyền sóng điện từ phải chịu ảnh hưởng của các yếu tố như phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ Những sự suy yếu trên có thể bù đắp bằng nhiều cách như tăng công suất phát, mở rộng băng thông hay sử dụng các loại

mã hóa sửa sai ECC (Error Control Coding) Tuy nhiên, công suất và băng thông là những tài nguyên vô tuyến có giới hạn và ngày càng trở lên khan hiếm trong khi việc sử dụng các loại mã hóa sửa sai sẽ làm hạn chế tốc độ truyền dẫn Do vậy việc có được một luồng truyền dữ liệu tốc độ cao và đáng tin cậy

qua những kênh truyền vô tuyến nhạy với lỗi là một thách thức lớn đối với việc thiết kế các hệ thống vô tuyến Dùng các giải pháp kỹ thuật nhằm đạt được tốc

độ truyền cao hơn, độ tin cậy truyền dẫn cao hơn, đó là hai nhu cầu chính trong

sự phát triển của truyền thông vô tuyến Để có thể đạt được hai yếu tố trên khi các yếu tố như công suất truyền hay độ rộng băng thông đều bị giới hạn cần phải áp dụng các biện pháp kỹ thuật khác nhau Các kỹ thuật MIMO là một trong những giải pháp giúp đạt được cả độ lợi phân tập (diversity gain) và độ lợi ghép kênh (multiplexing gain) nhằm tăng tốc độ truyền dẫn và độ tin cậy của kênh truyền

Tuy nhiên đối với các hệ thống truyền thông di động, do giới hạn về kích thước thiết bị, năng lượng tích trữ và khả năng di động, việc triển khai các kỹ thuật MIMO khó có thể đạt được hiệu quả như mong muốn Một trong những giải pháp có tính khả thi khác nhằm giải quyết vấn đề này là triển khai các hệ thống truyền thông hợp tác (cooperative communication)

1.2 TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC

Mạng truyền thông hợp tác là mạng truyền thông di động chuyển tiếp đa chặng Khi khoảng cách nút nguồn (S – Source) tới nút đích (D – Destination) quá xa không thế truyền dữ liệu được Nếu muốn truyền dữ liệu thì hệ thống phải tăng công suất phát lên rất nhiều và điều đó dẫn đến chi phí rất là tốn kém Khi đó các nhà nghiên cứu đã nghĩ ra một cách tối ưu hơn là giữa nút S và nút

D thì sẽ có thêm những nút chuyển tiếp (R – Relay) Những nút R này sẽ nhận tiến hiệu truyền từ S sau đó chuyển tiếp đến D

Relay 1

Relay N

Destination

hình 1 1 Mô hình m ạng truyền thông hợp tác [3]

Quá trình truyền dữ liệu trong mạng truyền thông hợp tác gồm hai giai đoạn Ở giai đoạn đầu tiên, thông tin được nút S chuyển tới tất cả các nút R Tại các nút R

sẽ sử dụng các kỹ thuật chuyển tiếp để truyền tín hiệu từ nguồn (S) đến thiết bị người dùng (D) Về cơ bản các kỹ thuật chuyển tiếp có thể được áp dụng ở nút chuyển tiếp đó là : Khuếch đại và chuyển tiếp (Amplified and Forward – AF), Giải

mã và chuyển tiếp (Decoded and Forward – DF) Các kỹ thuật này mô tả cách nhận và xử lý dữ liệu tại nút chuyển tiếp trước khi dữ liệu được gửi đến đích

1.2.1 Khuếch đại và chuyển tiếp (AF)

hình 1 2 Mô hình khu ếch đại và chuyển tiếp [4]

Phương pháp này thường được sử dụng trong mạng truyền thông hợp tác Quá trình xử lý tín hiệu đối với AF có thể đơn giản thành ba giai đoạn như sau:

 Giai đoạn 1: Nút nguồn S truyền tín hiệu bằng phương pháp phát sóng vô tuyến, nút chuyển tiếp R thu nhận tín hiệu

 Giai đoạn 2: Nút chuyển tiếp R khuếch đại công suất của tín hiệu nhận được từ S và chuyển tiếp đến nút đích D

 Giai đoạn 3: Nút đích D giải mã tín hiệu nhận từ R trong giai đoạn

2 và khôi phục lại tín hiệu ban đầu

Giao thức AF khuếch đại tín hiệu tại nút chuyển tiếp R, tăng công suất của tín hiệu truyền đi, giúp đầu thu D có thể thu được tín hiệu tốt nhất AF còn gọi

là phương thức chuyển tiếp không tái tạo, là phương thức xử lý tín hiệu cơ bản

và đơn giản nhất so với các phương pháp khác Ý tưởng phía sau giao thức AF

là đơn giản Tín hiệu được nhận bởi chuyển tiếp R bị suy giảm và cần được khuếch đại trước khi nó có thể được gửi đi lần nữa Khi làm như vậy nhiễu trong tín hiệu cũng được khuếch đại, đây chính là điểm yếu của giao thức này

1.2.2 Giải mã và chuyển tiếp (DF)

Ngày nay việc truyền dẫn không dây rất hiếm tín hiệu tuần tự và chuyển tiếp

có đủ sức mạnh tính toán Do đó, DF thường là phương pháp được ưu tiên nhất

để xử lý dữ liệu ở nút R Tín hiệu nhận được từ nút S giải mã và sau đó mã hóa lại Vì vậy, kỹ thuật này không có nhiễu được khuếch đại trong tín hiệu gửi, như

là trường hợp sử dụng giao thức AF Đó là hai vấn đề chính được thực hiện trong một hệ thống sử dụng giao thức chuyển tiếp DF

hình 1 3 Mô hình gi ải mã và chuyển tiếp [4]

Đối với kỹ thuật này, quá trình xử lý tín hiệu có thể đơn giản qua 3 giai đoạn như sau:

 Giai đoạn 1: Nút nguồn S truyền tín hiệu, nút chuyển tiếp R nhận tín hiệu

 Giai đoạn 2: Nút R sử dụng phương pháp tái sinh, giải mã các gói tin nhận được từ S và tái mã hóa bằng cách sử dụng mã mới tương

tự với mã tại nguồn S để chuyển tiếp thông tin đến nút đích Trong giải mã và tái mã hóa, nút chuyển tiếp có sử dụng mã sửa lỗi để sửa lỗi trên đường truyền

 Giai đoạn 3: Nút đích D nhận tín hiệu từ R, xử lý và khôi phục lại thành tín hiệu ban đầu

Do lỗi đường truyền, dữ liệu nhận được từ nút S có thể giải mã sai ở nút R, điều này làm suy giảm đáng kể hiệu năng của hệ thống Do đó, phương thức thiết lập nút R chỉ thực hiện chuyển tiếp nếu các tín hiệu từ nút S được giải mã một cách chính xác Điều này có thể kiểm chứng bằng CRC (Cyclic redundancy check) và nó yêu cầu tốn nhiều thời gian để tính toán nhưng lại rất tiện lợi đồng thời sẽ sinh ra độ trễ trong khi truyền dữ liệu Và đây cũng chính là mặt hạn chế của kỹ thuật DF

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương 1 đã giới thiệu và trình bày những vấn đề và khái niệm cơ bản về truyền thông hợp tác

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC VÀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 2.1 GIỚI THIỆU

Chương này trình bày về các khái niệm trong mạng vô tuyến nhận thức, chức năng, các dạng mô hình của mạng CR Đồng thời chỉ ra ưu và nhược điểm của sự kết hợp của truyền thông hợp tác với mạng vô tuyến nhận thức Từ đó chỉ ra hướng nghiên cứu để đánh giá hiệu nặng của hệ thống

Do vậy nhu cầu sử dụng phổ ngày càng tăng nên các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu ra mô hình mạng vô tuyến nhận thức, có thể cảm nhận hố phổ và

sử dụng tối ưu nhất

2.2.1 Khái ni ệm vô tuyến nhận thức

Mạng vô tuyến nhận thức là một mô hình mạng truyền thông di động mà có khả năng phát hiện một cách thông minh những phổ tần có người sử dụng và lập tức chuyển qua những phổ tần không có người sử dụng, điều này sẽ tối ưu hóa việc sử dụng phổ Cho đến nay có rất nhiều định nghĩa khác nhau về vô tuyến nhận thức như:

Theo FCC [6]: Vô tuyến nhận thức là một hệ thống có khả năng nhận biết môi trường xung quanh và điều chỉnh các các tham số hoạt động của nó để tối

ưu hoá hệ thống dưới dạng: tối đa băng thông, giảm can nhiễu, truy nhập phổ tần động

Định nghĩa do giáo sư Simon Hayskin [7] đưa ra: Vô tuyến nhận thức là một

hệ thống truyền thông không dây thông minh có khả năng nhận biết được môi trường xung quanh và từ môi trường nó sẽ thích nghi với sự thay đổi của môi trường bằng cách thay đổi các thông số tương ứng (công suất truyền, tần số sóng mang, phương pháp điều chế) trong thời gian thực với hai vấn đề chính: i) truyền thông với độ tin cậy cao bất cứ khi nào và bất cứ nơi đâu và ii) sử dụng hiệu quả phổ vô tuyến

2.2.2 Ch ức năng vô tuyến nhận thức

Mạng vô tuyến nhận thức có bốn chức năng chính Đó là:

 Nh ận biết phổ (spectrum sensing): việc nhận biết phổ cho phép người

dùng thứ cấp (SU) phát hiện các hố phổ một cách chính xác Hơn thế nữa

là điều này phải được thực hiện liên tục để không ảnh hưởng đến hệ thống sơ cấp.

 Qu ản lý và quyết định phổ (Spectrum Management and Decision):

bao gồm hai chức năng nhỏ là quản lý phổ và quyết định phổ:

 Quản lý phổ: Khi nhiều hố phổ được phân phối trên một dải tần số

rộng thì quản lý phổ sẽ liên quan đến việc lựa chọn cái tốt nhất có thể Trong mạng vô tuyến nhận thức, sự lựa chọn được thực hiện bằng cách xem xét công suất truyền, băng thông, sơ đồ điều chế, và

sơ đồ mã hóa Sự lựa chọn cũng phụ thuộc vào tiêu chí chất lượng dịch vụ (QoS) cho nhu cầu của truyền dữ liệu trong mạng CR

o Can nhiễu lên hệ thống mạng sơ cấp

o Sự can nhiều trong mạng CR lẫn nhau

o Thời gian sử dụng phổ

o Băng tần sử dụng

o Dung lượng kênh truyền: Đó là tốc độ truyền dữ liệu tối đa theo lý thuyết được truyền bởi một kênh nhất định Dung lượng kênh C đơn vị tính bằng bit trên giây được tính theo công thức Shannon sau đây

công suất can nhiễu tại máy thu Các đơn vị củaS, Nvà I là Watts Dung lượng kênh truyền là chính tiêu chí để đưa ra quyết định phổ

 Chia s ẻ phổ (Spectrum Sharing): Chia sẻ phổ đề cập đến sự phân chia

hợp lý các lỗ phổ giữa các thiết bị khác nhau trong mạng CR Nó dựa trên yếu tố và có thể được thực hiện theo thời gian, tần số, mã và thậm chí cả kích thước không gian Nó cũng được thiết kế để tránh nhiễu mạng

sơ cấp[8] Hơn thế nữa, chia sẻ phổ còn liên quan đến người dùng sơ cấp (PU) Điều này hiển thị rõ khi mạng CR dạng nền trong đó việc truyền

dữ liệu xảy ra đồng thời Trong trường hợp như vậy, chia sẻ phổ sẽ ưu tiên cho PU

 Bi ến đổi phổ (Spectrum Mobility): Điều này đề cập đến khả năng các

người dùng mạng CR chuyển giao giữa các lỗ phổ khác nhau một cách liền mạch tùy thuộc vào các điều kiện Chúng bao gồm những PU sử dụng lại các hố phổ,người dùng thứ cấp (SU) có nhu cầu tăng băng thông lên để tăng tốc độ truyền dữ liệu giữa những SU khác nhau Sự chuyển đổi giữa các lỗ phổ khác nhau được gọi là biến đổi phổ (15) Đây là tương

tự như chuyển giao tế bào truyền thống trong mạng di động, chuyển từ trạm này đến một trạm khác (với các mã / khe thời gian / tần số khác nhau, v.v.) khi điều kiện của các tế bào hiện tại xấu đi Tuy nhiên, việc biến đổi phổ phải được diễn ra liên tục để tránh xảy ra độ trễ trong mạng

CR

Hình 2.4 trình bày chu kỳ cảm nhận phổ tần tương tác với môi trường vô tuyến với các chức năng nêu trên [9]:

cảm nhận

Phân tíchThích nghi

Quyết định

Mạng vô tuyến nhận thức

hình 2 2 Chu k ỳ cảm nhận phổ tần

2.2.3 Mô hình m ạng vô tuyến nhận thức

Theo giáo sư Goldsmith [10], có ba loại mô hình cho mạng vô tuyến nhận thức bao gồm: dạng nền (underlay), dạng chồng chập (overlay) và đang xen (interweave)

2.2.3.1 Mô hình m ạng vô tuyến nhận thức dạng nền (underlay)

Trong mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền, mạng thứ cấp và mạng

sơ cấp hoạt động đồng thời trên cùng một dải tần số trong đó công suất phát của mạng thứ cấp phải được điều chỉnh sao cho công suất can nhiễu gây ra trên mạng sơ cấp nhỏ hơn một ngưỡng quy định trước ,I P Quá trình truyền và nhận

dữ liệu của mạng thứ cấp không được gây hại cho hệ thống mạng sơ cấp Do

đó, mạng CR dạng nền thường có vùng phủ sóng nhỏ