Giải pháp xử lý tín hiệu cho bộ cảm nhận phổ dải rộng trong hệ thống thông tin vô tuyến nhận

IF Trung tần Intermediate FrequencyI Thành phần thực của tín hiệu phức In-phase, Inphase ISE Môi trường phần mềm tích họp Integrated Software EnvironmentJTRS Hệ thống vô tuyến liên kết c

VŨ LÊ HÀ

GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU CHO BỘ CẢM NHẬN PHỔ DẢI RỘNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – NĂM 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

-

VŨ LÊ HÀ

GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU CHO BỘ CẢM NHẬN PHỔ DẢI RỘNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 62 52 02 03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1.PGS.TS BẠCH NHẬT HỒNG 2.TS PHẠM THANH HÙNG

HÀ NỘI – NĂM 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

TÁC GIẢ

Vũ Lê Hà

Xin chân thành cảm ơn

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

Vũ Lê Hà

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xiii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM NHẬN PHỔ TRONG VÔ TUYẾN ĐỊNH DẠNG MỀM VÀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 7

1.1 Vô tuyến định dạng mềm và vô tuyến nhận thức 7

1.1.1 Kiến trúc SDR lý tưởng 9

1.1.2 Kiến trúc SDR thực tế 10

1.2 Cảm nhận phổ trong vô tuyến nhận thức 11

1.2.1 Cảm nhận phổ cho truy cập phổ tần động 11

1.2.2 Cảm nhận phổ đa chiều 14

1.2.3 Nền tảng phần cứng thực thi CR 15

1.2.4 Bài toán PU ẩn 15

1.2.5 Thời gian và tần suất cảm nhận 16

1.3 Các thuật toán cảm nhận phổ đơn sensor 17

1.3.1 Bộ lọc phối hợp 19

1.3.2 Phát hiện dừng vòng 19

1.3.3 Phát hiện năng lượng 21

1.3.4 Phát hiện năng lượng với nhiều mức phân giải tần số 23

1.4 Bộ tổ hợp tần số trong SDR 27

1.4.1 Bộ tổ hợp tần số tương tự trực tiếp 27

1.4.2 Bộ tổ hợp tần số số trực tiếp 27

1.4.3 Bộ tổ hợp tần số theo nguyên lý vòng khóa pha 28

1.4.4 Bộ tổ hợp tần số lai DDS+PLL 30

1.4.5 So sánh các bộ THTS và chọn lựa mô hình nghiên cứu 30

1.4.6 Các kỹ thuật tăng tốc độ khóa 31

1.4.7 Bộ tổ hợp tần số tái cấu hình để tiết kiệm năng lượng 35

1.5 Kết luận chương 1 37

2 CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP CẢM NHẬN PHỔ DẢI RỘNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 39

2.1 Lý thuyết quyết định và các tiêu chuẩn đánh giá 39

2.1.1 Tiêu chuẩn Bayes 40

2.1.2 Tiêu chuẩn minimax 42

2.1.3 Tiêu chuẩn Neyman-Pearson 43

2.2 Đánh giá hiệu năng phát hiện năng lượng tín hiệu vô tuyến 44

2.3 Giải pháp cảm nhận phổ dải rộng bằng mô hình vô tuyến kép 51

2.3.1 Ước lượng tham số trạng thái kênh và tính giá trị Navg 57

2.3.2 Ước lượng tham số bằng khối cảm nhận toàn dải tần 61

2.3.3 Thuật toán điều chỉnh tốc độ lấy mẫu để phát hiện pilot 64

2.3.4 Bộ cảm nhận đơn kênh 66

2.4 Xây dựng mô hình bộ cảm nhận phổ trên nền FPGA 70

2.4.1 Mô hình cảm nhận phổ dải rộng 70

2.4.2 Bộ DDS tạo tần số lấy mẫu tín hiệu pilot 72

2.5 Mô phỏng đánh giá hoạt động của bộ WSB 74

2.5.1 Đánh giá kênh sử dụng bộ cảm nhận toàn dải 74

2.5.2 Điều chỉnh tốc độ lấy mẫu để phát hiện tín hiệu pilot 81

2.5.3 Cảm nhận phổ bằng bộ cảm nhận đơn kênh 84

2.6 Kết luận chương 2 87

3 CHƯƠNG 3 GIẢI PHÁP TÁI CẤU HÌNH CHO BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 89

3.1 Giới thiệu 89

3.2 Bộ THTS PLL kinh điển và các tham số thiết kế 90

3.2.1 Thời gian khóa và các dải làm việc của bộ PLL bậc ba 90

3.2.2 Các vấn đề khi thiết kế bộ PLL 97

3.3 Đề xuất giải pháp tái cấu hình cho mô hình bộ tổ hợp tần số 98

3.3.1 Bộ PLL trong tổ hợp tần số có thể tái cấu hình 98

3.3.2 Bộ DDS trong tổ hợp tần số có thể tái cấu hình 109

3.4 Mô phỏng đánh giá mô hình bộ PLL bằng công nghệ CMOS 112

3.4.1 Khái quát về công nghệ CMOS 112

3.4.2 Bộ PLL thiết kế bằng công nghệ CMOS 113

3.5 Kết quả mô phỏng 115

3.5.1 Tính toán tham số lý thuyết với bộ PLL được thiết kế 115

3.5.2 Sự phụ thuộc thời gian và độ ổn định vào hệ số tắt dần 120

3.5.3 Mô phỏng đánh giá thời gian khóa khi I CP thay đổi 123

3.6 Áp dụng giải pháp cho chip PLL thực tế 128

3.7 Kết luận chương 3 129

KẾT LUẬN 131

TÀI LIỆU THAM KHẢO 134

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

λ Ngưỡng so sánh

c

λ Ngưỡng so sánh tín hiệu trong kênh

pc

λ Ngưỡng so sánh tín hiệu pilot

ε Hệ số lỗi tần số đầu vào của bộ PLL

∆ Dải kéo ra của bộ PLL

C z Tụ điện xác định điểm zero của bộ lọc vòng

C P Tụ điện xác định điểm cực của bộ lọc vòng

E s Năng lượng của tín hiệu 2

0

( )

T s

E =∫s t dt

f c Tần số sóng mang

f Lỗi tần số đầu vào bộ PLL

f ref Tần số tham chiếu đầu vào bộ PLL

H 0 Giả thiết không có tín hiệu trong kênh quan sát

H 1 Giả thiết tín hiệu tồn tại trong kênh quan sát

N Số mẫu đầu vào cho bộ FFT độ phân giải thô

N fine Số mẫu đầu vào cho bộ FFT độ phân giải tinh

N avg Số mẫu tính trung bình để phát hiện tín hiệu

N Hệ số chia của bộ chia phản hồi trong PLL

P d Xác suất phát hiện

P fa Xác suất cảnh báo lầm

P m =1-P d Xác suất trượt

P PLL Công suất tiêu thụ tổng cộng của mạch PLL

R z Điện trở xác định điểm zero của bộ lọc vòng

T + Thời gian thiết lập tần số của tổ hợp tần số

comp

T Thời gian so sánh mức năng lượng tại mỗi kênh với ngưỡng

T SW Thời gian chuyển chế đô hoạt động bộ PLL

1

c

V Điện áp điều khiển ổn định bộ VCO

VDD Điện áp nguồn cung cấp

x(n) Mẫu tín hiệu miền thời gian

ADC Bộ biến đổi tương tự - số (Analog Digital Converter)

AGC Điều khiển độ lợi tự động (Automatic Gain Control)

AM Điều chế biên độ (Amplitude Modulation)

ASIC Mạch tích hợp chuyên dụng (Application Specific Integrated Circuit)ASN Số mẫu trung bình (Average Sample Number)

BPF Lọc dải thông (Band Pass Filter)

CDMA Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access)

CE Bộ máy nhận thức (Cognitive Engine)

CIC Bộ lọc răng lược tích phân tầng (Cascade Intergrated-Comb)

CMOS Bán dẫn oxit kim loại bù (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

CP Bơm điện tích (Charge Pump)

CR Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio)

CRN Mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Network)

CSDL Cơ sở dữ liệu

CSI Thông tin trạng thái kênh (Channel State Infomation)

DAC Bộ biến đổi số- tương tự (Digital Analog Converter)

DDC Bộ biến đổi số tuyến xuống (Digital Down Converter)

DDS Bộ tổ hợp tần số số trực tiếp (Direct Digital Synthersizer)

DFH Nhảy tần động (Dynamic Frequency Hoping)

DSP Xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processing)

DSSS Trải phổ chuỗi trực tiếp (Direct sequence Spread Spectrum)

DUC Bộ biến đổi số tuyến lên (Digital Up Converter)

FBSB Bộ cảm nhận toàn dải tần (Full Band Sensing Block)

FFT Biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform)

FHSS Trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping Spread Spectrum)

FPGA Mảng cổng khả trình trường (Field Programable Gate Array)

FSS Kích thước mẫu cố định (Fixed Sample Size)

IF Trung tần (Intermediate Frequency)

I Thành phần thực của tín hiệu phức (In-phase, Inphase)

ISE Môi trường phần mềm tích họp (Integrated Software Environment)JTRS Hệ thống vô tuyến liên kết chiến thuật (Joint Tactical Radio System)

LF Bộ lọc vòng (Loop Filter)

LNA Bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low noise Amplifier)

LLR Tỉ số hợp lý logarith (Log Likelihood Ratio)

MSPS Triệu mẫu trong 1 giây (Megasample per second)

NCO Bộ dao động nội (Numerical Control Oscillator)

PA Bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier)

PLL Vòng khóa pha (Phase-Locked Loop)

PFD Bộ phát hiện Pha-Tần số (Phase-Frequency Detector)

PSD Mật độ phổ công suất (Power Spectral Density)

PU Người dùng đầu tiên (Primary User)

Q Thành phần ảo của tín hiệu phức (Quadrature)

RAM Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (Random Access Memory)

RDR Vô tuyến số có thể cấu hình (Reconfigurable Digital Radio)

RF Tần số vô tuyến (Radio Frequency)

RTOS Hệ điều hành thời gian thực (Real Time Operating System)

SCSB Bộ cảm nhận đơn kênh (Single Channel Sensing Block)

SDR Vô tuyến định dạng mềm (Software Defined Radio)

SNR Tỷ số tín/tạp (Signal to noice Rate)

SPRT Thử tỉ lệ xác suất nối tiếp (Sequential Probability Ratio Test)

STR Vô tuyến điều hưởng mềm (Software Tunable Radio)

STAR Vô tuyến tương tự điều hưởng mềm (Software Tunable Analog Radio)STDC Bộ biến đổi tuyến xuống điều hưởng mềm (Software Tunable Down

Converter)

STUC Bộ biến đổi tuyến lên điều hưởng mềm (Software Tunable Up

Converter)

SU Người dùng thứ cấp (Secondary User)

SysGen Công cụ lập trình DSP của Xilinx (System Generator for DSP)THTS Tổ hợp tần số

VCO Dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage-Controlled Oscillator)VGA Bộ khuếch đại hệ số biến đổi (Variable Gain Amplifier)

WSB Bộ cảm nhận phổ dải rộng (Wideband Sensing Block)

DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU

Bảng 1-1 So sánh ưu nhược điểm các loại THTS khác nhau 31

Bảng 2-1 Thiết lập tần số lấy mẫu thực hiện thuật toán phát hiện pilot 73

Bảng 2-2 Tần số và biên độ tín hiệu cho mô phỏng bộ cảm nhận băng rộng 75 Bảng 2-3 CSDL đánh giá 10 kênh cài đặt các mức SNR khác nhau 78

Bảng 2-4 Tính NFFT phù hợp cho băng thông tín hiệu khác nhau 80

Bảng 2-5 Đặt tần số khảo sát khả năng phát hiện pilot 82

Bảng 3-1 Tần số ra bộ PLL với hệ số N nguyên fref cố định 110

Bảng 3-2 Tham số MOSFET chuẩn hóa sử dụng trong mô phỏng [10] 113

Bảng 3-3 Thời gian kéo là hàm của dòng bơm điện tích 115

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng của CR 8

Hình 1.2 Một kiến trúc SDR lý tưởng 9

Hình 1.3 Kiến trúc SDR thực tế điển hình 11

Hình 1.4 Chu kỳ CR 13

Hình 1.5 Kiến trúc bộ phát hiện băng trống 18

Hình 1.6 Sơ đồ khối bộ phát hiện đặc trưng dừng vòng 20

Hình 1.7 Bộ tổ hợp tần số số trực tiếp 28

Hình 1.8 Cấu trúc cơ bản của bộ THTS theo nguyên lý PLL 29

Hình 1.9 Cấu trúc các khối điện tử tương tự có thể điều hưởng [52] 36

Hình 2.3 Sơ đồ khối bộ đo vô tuyến 48

Hình 2.4 Sơ đồ khối bộ phát hiện năng lượng vùng tần số 49

Hình 2.5 Mô hình cảm nhận phổ băng rộng cho CR 51

Hình 2.6 Mối liên hệ giữa N avg và SNR ứng với P fa khác nhau 54

Hình 2.7 N avg để phát hiện tín hiệu với tham số thăng giáng tạp khác nhau 55

Hình 2.8 Phân tích phổ với độ dài N FFT khác nhau 60

Hình 2.9 Sơ đồ khối bộ cảm nhận phổ toàn dải 61

Hình 2.10 Lưu đồ thuật toán thực thi bộ cảm nhận phổ toàn dải 62

Hình 2.11 Cảm nhận các kênh có mức SNR khác nhau 63

Hình 2.12 Vị trí tín hiệu pilot nằm lệch các khay tần số bộ FFT 64

Hình 2.13 Sơ đồ khối tìm chính xác tần số pilot 64

Hình 2.14 Thuật toán xác định chính xác vị trí tần số tín hiệu pilot 65

Hình 2.15 Thuật toán hoạt động của bộ cảm nhận phổ đơn kênh 67

Hình 2.16 Bộ cảm nhận phổ dải rộng 70

Hình 2.17 Khối phân tích phổ và biến đổi FFT 71

Hình 2.18 Tần số đầu ra DDS làm tần số lấy mẫu phát hiện pilot 74

Hình 2.19 Phát hiện tín hiệu với SNR = -11, -12, -13, -14 dB, Pfa=0,1 75

Hình 2.20 Phát hiện tín hiệu với SNR = -15, -16, -17, -18 dB, Pfa=0,1 76

Hình 2.21 Đánh giá tham số tạp âm và tín hiệu 76

Hình 2.22 Đánh giá tạp âm và mức tín hiệu phát trong kênh 77

Hình 2.23 Cảm nhận kênh có băng thông khác nhau với các NFFT 79

Hình 2.24 Cảm nhận phổ với NFFT : (a) 128; (b) 512; (c) 2.048; (d) 8.192 81

Hình 2.25 Phổ tín hiệu của 5 thành phần tần số 82

Hình 2.26 Điều chỉnh tần số lấy mẫu 83

Hình 2.27 Cường độ pilot khi nằm tại vị trí khác nhau trong bin tần số 83

Hình 2.28 SCSB thay đổi N avg khi đánh giá các kênh có SNR khác nhau 84

Hình 2.29 So sánh đường ROC của các bộ phát hiện 85

Hình 2.30 So sánh thời gian và khả năng thực thi của các bộ phát hiện 86

Hình 3.1 Mô hình bộ CP-PLL với tần số tham chiếu cố định 90

Hình 3.2 Mô hình ổn định bộ PLL bậc 2 với các hệ số tắt dần khác nhau 92

Hình 3.3 Mô hình ổn định bộ PLL bậc 3 với các hệ số tắt dần khác nhau 92

Hình 3.4 Mô hình ổn định bộ PLL bậc 3 với lỗi pha bằng 10-5 [47] 93

Hình 3.5 Thời gian khóa PLL bậc 3 với độ dự trữ pha khác nhau [47] 93

Hình 3.6 Lỗi pha chuẩn hóa bộ PFD của PLL bậc 2 và bậc 3 [47] 96

Hình 3.7 Điện áp điều khiển VCO của PLL bậc 2 và bậc 3 [47] 96

Hình 3.8 Mô hình bộ THTS đề xuất, cấu hình động DDS, FPD và LF 99

Hình 3.9 Cấu trúc bộ CP-FPD và bộ LF 100

Hình 3.10 Đặc tuyến tổng quát T PLL_tune , P PLL , E PLL khi khóa nhanh 106

Hình 3.11 Xác định điểm làm việc cho ba chế độ 107

Hình 3.12 Thuật toán điều khiển cho bộ PLL 108

Hình 3.13 Cấu hình lại bộ PLL về chế độ chuẩn tại 0,3 µs 109

Hình 3.14 Nhiễu nền tăng lên khi hệ số chia N tăng 111

Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý bộ PLL 114

Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý bộ PFD [10] 114

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý bộ VCO [10] 114

Hình 3.18 Thời gian kéo, khóa, điều hưởng khi dòng ICP thay đổi 116

Hình 3.19 Công suất trung bình khi I CP thay đổi từ 10 µA đến 120 µA 117

Hình 3.20 Đặc tuyến T PLL_tune , P PLL , E PLL cho mô hình với ∆f=50MHz 118

Hình 3.21 Thời gian điều hưởng với các giá trị độ lệch tần khác nhau 119

Hình 3.22 Năng lượng tiêu thụ trong thời gian điều hưởng 120

Hình 3.23 Phản ứng của PLL khi hệ số tắt dần ζ =0,1; 0,2 và 0,3 121

Hình 3.24 Phản ứng của PLL khi hệ số tắt dần ζ =0,4; 0,5 và 0,6 121

Hình 3.25 Phản ứng của PLL khi hệ số tắt dần ζ =0,7; 0,8 và 0,9 122

Hình 3.26 Phản ứng của PLL khi hệ số tắt dần ζ =2,8; 2,9; 3,0 122

Hình 3.27 Điều hưởng với dòng I CP bằng 2; 4; 6 (µA) 123

Hình 3.28 Điều hưởng với dòng I CP bằng 7; 8; 9 (µA) 123

Hình 3.29 Điều hưởng với dòng I CP bằng 16, 18, 20 (µA) 124

Hình 3.30 Điều hưởng với dòng I CP bằng 28, 30, 32 (µA) 124

Hình 3.31 Điều hưởng với dòng I CP bằng 60, 90, 120 (µA) 124

Hình 3.32 So sánh thời gian khóa lý thuyết và mô phỏng 125

Hình 3.33 Khi chuyển mạch quá trễ, thời gian khóa tổng cộng là 0,7µs 126

Hình 3.34 Khi chuyển mạch quá sớm, thời gian khóa là 0,6µs 126

Hình 3.35 Chuyển mạch đúng thời điểm, thời gian khóa là 0,35µs 127

Hình 3.36 Nhiễu pha trong 3 trường hợp chuyển khóa 127

Hình 3.37 Bo mạch đánh giá chip PLL ADF4351 128

Hình 3.38 Các đường cong hoạt động của bộ PLL ADF4351 129

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Các thiết bị thông tin liên lạc vô tuyến được xây dựng dựa vào các yếu tố: Chức năng, Phần cứng vật lý và Tín hiệu Kể từ khi Guglielmo Marconi phát minh ra truyền dẫn vô tuyến, đối với các thiết bị thông tin liên lạc vô tuyến, đã tồn tại ba hướng nghiên cứu và phát triển Ba hướng này phát triển

và bổ sung cho nhau Các thiết bị thông tin liên lạc đã phát triển về chức năng, phần cứng, tiêu chuẩn thông tin liên lạc, khả năng liên kết và kết nối các mạng, với các tiêu chuẩn khác nhau Một trong những thành tựu nổi bật là tiến trình chuyển từ phần cứng tương tự sang phần cứng số và sự ra đời của các bộ vi xử lý có độ phức tạp và hiệu năng cao Điều này dẫn đến sự phát triển của các kiến trúc vô tuyến thiết lập chức năng bằng phần mềm, hay còn gọi là vô tuyến định dạng mềm (SDR - Software Defined Radio)

Do nhu cầu sử dụng và yêu cầu về chất lượng dịch vụ đặt ra cho nhà cung cấp dịch vụ ngày càng cao, đòi hỏi các thiết bị thông tin liên lạc cần phải làm việc thông minh hơn Điều này dẫn tới sự ra đời của công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio - CR)

Về bản chất, CR hoạt động trong môi trường truyền dẫn vô tuyến Tham

số quan trọng của CR là phổ tần số vô tuyến Chức năng quan trọng của thiết

bị hay mạng CR điển hình là cảm nhận phổ (spectrum sensing) CR cần phải phát hiện ra các lỗ trống phổ, độ ổn định hay tần suất sử dụng kênh truyền để

sử dụng tài nguyên phổ hiệu quả và tin cậy Cảm nhận phổ được thực hiện trên nền SDR, là nền tảng chính để thực thi CR Hiện nay bài toán cảm nhận phổ là một trong các bài toán quan trọng, đang được nhiều nhà khoa học quan tâm giải quyết

Một bài toán nữa đối với CR cũng đang được nhiều nhà khoa học quan tâm, đó là bài toán cấu hình động, nhằm giải quyết vấn đề tiết kiệm năng lượng trong CR

Trong mô hình CR, nhất là đối với các máy thu CR dải rộng, thì khối bộ

tổ hợp tần số (THTS) có vai trò rất quan trọng Khối này có nhiệm vụ tạo ra tần số ngoại sai bất kỳ trong dải tần số làm việc, để điều hưởng máy thu tại tần số cao tần Vì vậy, thời gian điều hưởng của bộ THTS có ảnh hưởng lớn đến thời gian cảm nhận toàn dải tần của bộ thu cảm nhận phổ, khi bộ thu cần phải điều hưởng liên tục, nhằm quét được toàn bộ băng tần cần cảm nhận

Để tiết kiệm năng lượng thì bài toán cấu hình động cho các khối chức năng tương tự (analog) nói chung hay bộ THTS nói riêng trong cấu trúc của

CR cũng đang được nhiều nhà khoa học quan tâm

Vì vậy, ở đây, luận án được chọn với tiêu đề là: “Giải pháp xử lý tín

hiệu cho bộ cảm nhận phổ dải rộng trong hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu một giải pháp xử lý tín hiệu cho bộ cảm nhận phổ dải rộng trong hệ thống CR, xây dựng mô hình bộ cảm nhận phổ, cung cấp một trong những tham số đầu vào quan trọng chứa thông tin về phổ tần vô tuyến tới bộ máy nhận thức (Cognitive Engine - CE) của CR

Luận án nghiên cứu tổng quan về cấu trúc SDR trong ngữ cảnh CR, các yêu cầu đặt ra đối với SDR; nghiên cứu các thuật toán, mô hình cảm nhận phổ

ở phần xử lý tín hiệu số và mô hình tái điều hưởng các khối chức năng ở phần

xử lý tín hiệu tương tự trong CR

Luận án đề xuất giải pháp xử lý tín hiệu số và xử lý tín hiệu tương tự cho

CR thông qua mô hình mức vật lý của bộ cảm nhận phổ dải rộng ở khối điện

tử số tái cấu hình và khối điện tử tương tự tái điều hưởng, với mục tiêu cải

thiện thời gian cảm nhận phổ và mức tiêu thụ năng lượng nguồn cung cấp của

hệ thống theo các chế độ hoạt động khác nhau

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung vào: Mô hình hệ thống CR, bài toán cảm nhận phổ trong CR; Chức năng, thành phần, đặc trưng cơ bản của SDR trong CR; Xử lý tín hiệu số trong các hệ thống SDR;

Bộ THTS trong CR, tốc độ điều hưởng của bộ THTS và bài toán tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong CR

4 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Luận án được xây dựng trên cơ sở lý thuyết thông tin vô tuyến điện, xử

lý tín hiệu số, xử lý tín hiệu tương tự Nội dung khoa học được xây dựng dựa vào các tài liệu tham khảo mới nhất về lĩnh vực nghiên cứu được công bố trên thế giới

5 Phương pháp nghiên cứu

Dựa vào các tài liệu về hệ thống CR, SDR, luận án nghiên cứu bài toán cảm nhận phổ một sensor và giải pháp tái cấu hình cho bộ THTS trong

hệ thống CR Tìm hiểu các thành tựu đã đạt được về mặt công nghệ trên thế giới và trong nước, từ đó xác định những vấn đề còn tồn tại

Luận án đề xuất các giải pháp xử lý tín hiệu ở cả phần điện tử số và phần điện tử tương tự cho mô hình hệ thống CR Đối với phần điện tử số, giải pháp xử lý tín hiệu số được mô phỏng và thực thi trên nền FPGA Đối với phần điện tử tương tự, giải pháp tái cấu hình bộ THTS được mô phỏng

và thực thi bộ PLL thiết kế bằng công nghệ CMOS sử dụng phần mềm thiết

kế IC chuyên nghiệp Đồng thời giải pháp tái cấu hinh bộ PLL cũng được

thực thi trên một chip PLL thương mại để kiểm nghiệm kết quả tính toán lý thuyết

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Luận án có ý nghĩa khoa học vì đóng góp cho lĩnh vực nghiên cứu cơ bản các hệ thống thông tin liên lạc thế hệ mới, tạo tiền đề cho các nghiên cứu chuyên sâu khác trong lĩnh vực này

Ý nghĩa thực tiễn của luận án thể hiện ở nhiệm vụ nghiên cứu đặt ra là hướng tới tính khả thi nhằm thiết kế chế tạo ở điều kiện trình độ công nghệ trong nước Kết quả của luận án sẽ có ý nghĩa thực tiễn tốt đóng góp cho lĩnh vực nghiên cứu thiết kế chế tạo và ứng dụng các hệ thống thông tin liên lạc tiên tiến nhằm phục vụ cho quốc phòng và dân sinh

7 Nội dung của luận án

Nội dung luận án được chia thành 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về cảm nhận phổ trong vô tuyến định dạng mềm và vô tuyến nhận thức

Chương này trình bày tổng quan về công nghệ SDR và CR, đi sâu vào chức năng cảm nhận phổ trong CR Các thuật toán cảm nhận phổ được trình bày, trong đó thuật toán cảm nhận phổ sử dụng bộ phát hiện năng lượng (energy detector) và các thuật toán dẫn xuất của nó được nghiên cứu sâu Trong các tham số để đánh giá hiệu năng hoạt động của một bộ cảm nhận phổ, tham số về tốc độ cảm nhận là một tham số quan trọng và việc cải thiện tham số này là mục tiêu nghiên cứu của luận án, được giải quyết bằng giải pháp cảm nhận phổ dải rộng thông qua mô hình bộ thu vô tuyến kép thực hiện chức năng cảm nhận phổ Giải pháp được đề xuất trong chương 2

Trong mô hình bộ thu vô tuyến dải rộng thực hiện chức năng cảm nhận phổ, bộ tổ hợp tần số (THTS) là một khối chức năng thiết yếu, tham gia trực tiếp vào hoạt động của hệ thống Các tham số quan trọng đánh giá hiệu năng hoạt động của bộ THTS là thời gian điều hưởng tần số và khả năng quản lý năng lượng tiêu thụ nguồn cung cấp Vấn đề cải thiện tốc độ điều hưởng của

bộ THTS với một ràng buộc về công suất tiêu thụ là mục tiêu nghiên cứu thứ hai của luận án Vì vậy trong chương 1, các nghiên cứu tổng quan về bộ THTS được trình bày, qua đó đặt ra mục tiêu nghiên cứu và đề xuất giải pháp tái cấu hình cho bộ THTS cho hệ thống CR trong chương 3

Chương 2: Giải pháp cảm nhận phổ dải rộng cho hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức

Trong chương này, giải pháp cảm nhận phổ dải rộng được đề xuất thông qua mô hình bộ cảm nhận phổ SDR dải rộng trên nền tảng FPGA có thể tái cấu hình sử dụng thuật toán phát hiện năng lượng, với mục tiêu tăng tốc độ cảm nhận mà vẫn đảm bảo được xác suất phát hiện

Mô hình SDR là một cấu trúc SDR điển hình bao gồm khối điện tử số và khối điện tử tương tự Nội dung chương 2 đi sâu giải quyết vấn đề xử lý tín hiệu số bằng mô hình khối điện tử số có cấu trúc vô tuyến kép, gồm một bộ phát hiện năng lượng toàn dải tần và một bộ thu cảm nhận đơn kênh

Chương 3: Giải pháp tái cấu hình cho bộ tổ hợp tần số trong

hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức

Trong mô hình bộ thu cảm nhận phổ được đề xuất trong nội dung của Chương 2, ở khối điện tử tương tự, bộ THTS tham gia trực tiếp vào hoạt động của hệ thống, và thời gian điều hưởng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian cảm nhận chung Bên cạnh đó, một CR cần có khả năng hoạt động ở các

chế độ khác nhau để tối ưu thời gian cảm nhận hoặc năng lượng tiêu thụ nguồn tùy theo ngữ cảnh

Chương này đề xuất giải pháp tái cấu hình cho bộ THTS trong bộ cảm nhận phổ Trong chương này, cấu trúc và cơ chế hoạt động của bộ THTS được phân tích chi tiết, đặc biệt ở các tham số độ ổn định, tốc độ khóa tần số

và công suất tiêu thụ Trên cơ sở đó một mô hình bộ THTS kết hợp hai kỹ thuật DDS và PLL được đề xuất cùng một thuật toán điều khiển bộ PLL, cho phép bộ PLL hoạt động trong ba chế độ khác nhau Bộ PLL được thiết kế và

mô phỏng bằng phần mềm thiết kế IC Đồng thời, giải pháp tái cấu hình bộ THTS được áp dụng cho chip PLL thương mại ADF4351 của hãng Analog

Devices

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM NHẬN PHỔ TRONG VÔ TUYẾN ĐỊNH DẠNG MỀM VÀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

Vô tuyến định dạng mềm (Software Defined Radio - SDR) là một hệ thống hoặc thiết bị thông tin liên lạc vô tuyến với các khối chức năng cơ bản được thực thi bằng phần mềm trên một nền tảng phần cứng cố định Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) được coi như thế hệ phát triển tiếp theo của các

hệ thống thông tin liên lạc vô tuyến trên nền tảng SDR

Một trong những đặc điểm chính của CR là khả năng thích nghi với môi trường xung quanh, nơi mà các tham số vô tuyến (bao gồm tần số, công suất tiêu thụ, phương thức điều chế, băng thông,…) có thể thay đổi phụ thuộc vào môi trường, tình huống của người dùng, điều kiện mạng, vị trí địa lý,…SDR

có thể cung cấp các chức năng vô tuyến mềm dẻo bằng cách hạn chế tối đa việc sử dụng các mạch điện và linh kiện tương tự (analog) Vì thế CR cần phải được thiết kế trên nền tảng SDR Một trong những định nghĩa phổ thông nhất về CR là “ một hệ thống liên lạc thông minh có thể nhận thức được môi trường của nó, và sử dụng phương pháp hiểu thông qua xây dựng để học về môi trường và thích nghi với các tín hiệu đầu vào khác nhau với hai mục đích chính: (1) Liên lạc tin cậy cao bất cứ khi nào, bất cứ ở đâu, và (2) sử dụng hiệu quả phổ tần số vô tuyến” [80] Mô hình đơn giản mô tả mối liên hệ giữa

CR và SDR như trong Hình 1.1 Trong mô hình này, CR bao bọc xung quanh SDR Ở đó, sự kết hợp giữa bộ máy nhận thức (Cognitive Engine - CE), SDR

và các khối chức năng hỗ trợ khác (ví dụ: cảm nhận môi trường) tạo nên CR

CE có nhiệm vụ tối ưu hóa hoặc điều khiển SDR dựa trên các tham số đầu vào như cảm nhận phổ, mức năng lượng tiêu thụ nguồn, các tham số học được

từ môi trường, ngữ cảnh của người dùng, hay trạng thái hiện tại của mạng…

Hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng của CR

CE cần phải biết được tài nguyên (như nguồn cung cấp) và khả năng phần cứng vô tuyến cũng như các tham số khác Trên cơ sở đó CE cố gắng đáp ứng các yêu cầu kết nối vô tuyến từ người sử dụng hay ứng dụng ở lớp cao hơn trong hoàn cảnh các tài nguyên có thể được sử dụng tại thời điểm hiện tại, chẳng hạn như phổ tần tại các kênh trống (không bị chiếm dụng bởi nguồn phát khác) Một tham số quan trọng khác là công suất tiêu thụ tối đa

mà SDR được phép sử dụng Trong nhiều trường hợp, ví dụ như dung lượng nguồn pin gần cạn, SDR cần phải tắt một số chức năng, hoặc khối chức năng không quan trọng, hoặc phải giảm tốc độ xung nhịp làm việc của hệ thống, hoặc phải tái cấu hình các khối chức năng để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ, khi mà yêu cầu về sự tồn tại hoạt động của thiết bị (thời gian sống) cao hơn yêu cầu về hiệu năng hoạt động

So sánh với các thiết bị vô tuyến trên nền tảng phần cứng, là các thiết bị chỉ có thể hoạt động với chức năng vô tuyến đơn giản hoặc rất hạn chế, thì SDR được xây dựng bằng phần mềm xử lý tín hiệu số cùng với các thành phần phần cứng RF tương tự (analog) có thể điều hưởng được bằng phần mềm Vì vậy SDR có khả năng làm việc được với rất nhiều băng tần, tần số khác nhau với chế độ làm việc, dạng tín hiệu điều chế, khuôn dạng sóng khác

Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) Các hàm chức

năng

SDR

Cảm nhận nội tại và bên ngoài

Bộ máy nhận thức (Cognitive Engine)

nhau Và hơn nữa, chính từ sự mềm dẻo và khả năng tái cấu hình bằng phần mềm, SDR có thể hỗ trợ các tiêu chuẩn mới trong tương lai

Ở khía cạnh phổ tần, thiết bị cảm nhận có chức năng cảm nhận phổ, và

có thể được nhúng bên trong SDR hoặc kết nối với SDR từ bên ngoài SDR

có thể có cấu trúc như một bộ phân tích phổ mini để cung cấp thông tin cho

CE Phổ tần thu được sẽ được số hóa bởi bộ ADC và được xử lý bởi bộ DSP phía sau

1.1.1 Kiến trúc SDR lý tưởng

Một kiến trúc SDR lý tưởng được mô tả ở Hình 1.2, bao gồm 2 khối chính: (1) Vô tuyến số có thể tái cấu hình (Reconfigurable Digital Radio - RDR); (2) Vô tuyến tương tự có thể điều hưởng bằng phần mềm (Software Tunable Analog Radio - STAR) kết hợp với bộ tổ hợp trở kháng nhúng [16], [63] Các chức năng chính của RDR là thực hiện các bộ tạo dạng sóng khác nhau, các thuật toán xử lý tín hiệu, điều khiển các khối chức năng có thể tái cấu hình khác,…

Hình 1.2 Một kiến trúc SDR lý tưởng

Các khối điện tử tương tự có thể điều hưởng bằng phần mềm là các khối

mà không thể thực hiện ở phần số (cho đến thời điểm công nghệ điện tử hiện

tại) Ví dụ như bộ lọc cao tần (Radio Frequency - RF), bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier - PA), bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low Noise Amplifier - LNA), hay bộ tổ hợp trở kháng được sử dụng để tối ưu hóa hiệu năng của các hệ thống anten điều hưởng mềm tại một tần số bất kỳ theo yêu cầu của CE

Khối RDR giám sát và điều khiển hệ thống vô tuyến cấu hình mềm một cách liên tục hoặc định kỳ phụ thuộc vào đặc tính kỹ thuật của hệ thống Mối liên hệ cơ bản giữa các khối chính của SDR như sau: CE gửi các tham số cấu hình vô tuyến tới RDR để cấu hình lại toàn bộ khối vô tuyến theo các tham số mới Các tham số này có thể là kiểu dạng sóng cần phải được tạo ra (Ví dụ: OFDM, CDMA, UWB), tần số (ví dụ: băng thông, tần số trung tâm), và các tham số ràng buộc về mức công suất tiêu thụ,… Hơn nữa CE có thể yêu cầu RDR thực hiện các phép đo hoặc tính toán các tham số từ môi trường RDR tự cấu hình nó cùng với các thành phần vô tuyến và các hệ thống anten điều hưởng mềm Để tối ưu hóa hiệu năng của hai khối này, RDR sử dụng thông tin phản hồi từ STAR, sau đó nó điều chỉnh các tham số của STAR và các khối anten qua các tín hiệu điều khiển tương ứng Cuối cùng RDR xác thực với CE các tham số cấu hình đã được thực hiện

1.1.2 Kiến trúc SDR thực tế

Do các giới hạn về công nghệ, kiến trúc SDR lý tưởng sẽ trở nên rất đắt

đỏ Tại thời điểm hiện tại, có khá nhiều các nền tảng SDR thực tế khác nhau được đưa ra Hình 1.3 là một ví dụ về kiến trúc SDR thực tế điển hình [69] Ở phần số, RDR có thể được thực hiện sử dụng một trong những công nghệ sẵn

có như DSP, FPGA, ASIC, các bộ vi xử lý đa năng, các bộ vi xử lý có thể tái cấu hình như Pico Array [100], hay máy tính thích nghi (Adaptive Computing Machine - ACM) [101]

Hình 1.3 Kiến trúc SDR thực tế điển hình

Ở phần tương tự, bao gồm các khối chức năng chưa thể thực hiện hoàn toàn bằng mạch số như PA, LNA, lọc RF, THTS, chuyển mạch anten Giao diện giữa hai phần số và tương tự được thực hiện thông qua các bộ biến đổi số

- tương tự (Digital Analog Converter - DAC) ở tuyến phát, và bộ biến đổi tương tự - số (Analog Digital Converter - ADC) ở tuyến thu Do giới hạn về tốc độ biến đổi của các khối này, bộ THTS được sử dụng để chuyển tần số tín hiệu lên hoặc xuống thông qua các bộ biến đổi lên điều hưởng mềm (Software Tunable Up Converter – STUC) và biến đổi xuống điều hưởng mềm (Software Tunable Down Converter – STDC)

1.2.1 Cảm nhận phổ cho truy cập phổ tần động

Trong các hệ thống thông tin liên lạc dân sự, nhu cầu sử dụng phổ tần đang tăng nhanh và cần một số phương thức tiếp cận mới trong bài toán sử dụng tài nguyên phổ tần số một cách hiệu quả Hiện tại, việc cấp phát sử dụng băng tần từ nhà quản lý đến người sử dụng vẫn trong trạng thái tĩnh, và trên thực tế, nhu cầu từ người sử dụng đang vượt quá băng thông tần số khả dụng Tuy nhiên các thống kê cho thấy phần lớn băng tần không được sử dụng hoặc được sử dụng ở một mức độ rất hạn chế [76] Tại Việt Nam, vấn đề khảo sát tần suất sử dụng tài nguyên phổ tần số được công bố trong [91] Nhóm nghiên

cứu thực hiện đo đạc và phân tích dải tần từ 20 MHz đến 3000 MHz tại thành phố Hồ Chí Minh và tỉnh Long An, cho thấy trung bình, tần suất sử dụng phổ trong toàn dải là 13,74% đối với thành phố Hồ Chí Minh, và 11,19% đối với Long An Băng tần được sử dụng thường xuyên nhất là băng tần truyền hình tương tự trong dải tần từ 470 MHz đến 806 MHz, đạt tần suất sử dụng là 58% Vì vậy, vấn đề làm sao để không lãng phí tài nguyên phổ tần đang là vấn đề nóng hổi hiện nay được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm Phương pháp tiếp cận để vượt qua tình trạng cấp phát tần số tĩnh là sự xuất hiện các hệ thống có khả năng chia sẻ tài nguyên phổ tần một cách linh động Những ví dụ điển hình của phương pháp này là các hệ thống xếp chồng,

ở đó khi tài nguyên phổ không được sử dụng bởi người dùng đã được cấp phép (licensed user) hay còn gọi là người dùng sơ cấp (Primary User - PU), sẽ được cung cấp cho người dùng không được cấp phép (unlicensed user), hay còn gọi là người dùng thứ cấp (Secondary User - SU) Hiển nhiên một yêu cầu đặt ra là: các trạm đầu cuối trong một hệ thống SU cần phải có khả năng phát hiện được PU ngay lập tức khi PU hoạt động Kiểu thiết bị đầu cuối vô tuyến này chính là CR, là thiết bị vô tuyến có khả năng tự học, thích nghi và thông minh, với khả năng cảm nhận môi trường vô tuyến và thích nghi với điều kiện hiện tại, chẳng hạn như các tần số rỗi có thể được sử dụng và đặc tính của kênh [20]

Nhiệm vụ phát hiện PU là một nhiệm vụ quan trọng của SU trong hệ thống CR Tuy nhiên đây là một nhiệm vụ rất khó khăn bởi SU phải vượt qua những yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy của kết quả cảm nhận phổ trong môi trường liên lạc không dây SU có thể phải đối mặt với các vấn đề như pha-đing đa đường hay tình trạng bị che khuất, những yếu tố có thể dẫn đến việc không thể phát hiện ra sự tồn tại của các PU Hậu quả là SU có thể trở thành nguồn gây nhiễu đến sự hoạt động của PU Điều này dẫn đến yêu cầu

đối với SU là phải có độ ổn định rất cao khi làm việc trong kênh thông tin mất cân bằng mà vẫn có thể phát hiện ra những tín hiệu có công suất rất nhỏ Những yêu cầu này dẫn đến rất nhiều thách thức khó khăn cho khả năng hiện thực hóa các mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Network - CRN) Bên cạnh những vấn đề cần vượt qua để tiến tới hiện thực hóa CR trong các hệ thống thông tin liên lạc không dây ứng dụng trong dân sự, nhiều vấn đề khó khăn khác nữa cũng cần phải giải quyết khi đưa mô hình CR vào các hệ thống thông tin liên lạc chiến thuật trong quân sự, khi mà CR cần phải luôn nhận thức một cách chính xác và nhanh chóng tình huống của mình trong một môi trường tác chiến rất động, và dường như không có những thông tin được cung cấp trước về tình trạng sử dụng phổ tần của các hệ thống thông tin vô tuyến khác Ở đó cũng không có sẵn một hạ tầng thông tin liên lạc mà CR có thể sử dụng Vì vậy CR cần phải tự khám phá và thích nghi với môi trường Những vấn đề chính cần giải quyết khi đưa CR vào ứng dụng trong quân sự là [32], [5]: Khởi tạo; Mạng tự tổ chức (ad-hoc); Đồng bộ; Cảm nhận kênh; Bắt tay; Mã hóa; Điều chế và đa truy nhập thích nghi

Như vậy, bất kể CR được ứng dụng trong quân sự hay dân sự, cảm nhận phổ là một thành phần quan trọng trong cấu trúc một CR điển hình Mô hình chu kỳ hoạt động của một CR được đề xuất lần đầu bởi Mitola [59] được rút gọn như mô hình trong Hình 1.4 [23]

Hình 1.4 Chu kỳ CR

Trong chu kỳ hoạt động này, cảm nhận phổ là bước cung cấp thông tin đến cho CE để thực hiện phân tích tình huống, trước khi đưa ra quyết định và hành động Các vấn đề nghiên cứu cho bài toán cảm nhận phổ được quan tâm

ở nhiều khía cạnh khác nhau như: cảm nhận phổ đa chiều; các yêu cầu về phần cứng vật lý thực thi hệ thống; bài toán PU ẩn; thời gian và tần suất cảm nhận phổ tối ưu,…

1.2.2 Cảm nhận phổ đa chiều

Khái niệm “Cơ hội sử dụng phổ” (spectrum opportunity), được định

nghĩa là “một băng tần trống mà người dùng đầu tiên không sử dụng ở một

thời điểm nào đó tại một vùng địa lý nào đó” [48] Khái niệm mang tính truyền thống này chỉ xác định không gian phổ như một không gian ba chiều: tần số, thời gian và không gian Tuy nhiên, còn có những chiều khác nữa cần phải được xem xét cho khái niệm “Cơ hội sử dụng phổ” mới, ví dụ như chiều

mã trong thông tin trải phổ

Một chiều không gian khác có thể kể tới là chiều “góc” Với các công nghệ về anten tiên tiến, cho phép nhiều thiết bị có thể hoạt động tại cùng một không gian địa lý, trên cùng một băng tần, nhưng với các hướng phát xạ khác nhau Như vậy, việc đánh giá chính xác góc hoạt động của PU cũng sẽ mang đến cơ hội sử dụng phổ cho SU ở cùng một vị trí địa lý Để đánh giá hướng tới của tín hiệu (Direction Of Arrival - DOA), [37] đề xuất một phương thức

có độ phức tạp tín toán thấp, dựa trên cơ sở phát hiện lượng sai pha của tín hiệu thu được từ một mạng anten đa phần tử Tín hiệu thu được số hóa và xử

lý bằng bộ SDR đơn kênh sử dụng nhiều khối PLL để đánh giá giá trị pha Như vậy, không gian vô tuyến nhiều chiều có thể được định nghĩa như

“một siêu không gian lý thuyết được sử dụng bởi các tín hiệu vô tuyến, với các chiều vị trí địa lý, góc tới, tần số, thời gian và những chiều khác nữa”

[56],[22] Siêu không gian này được định nghĩa bởi nhiều tác giả khác nhau

dưới các tên gọi là “không gian điện” (eletrospace), “siêu không gian truyền dẫn”, “không gian phổ vô tuyến”, hoặc chỉ đơn giản là “không gian phổ” Nó được sử dụng để mô tả cách thức mà môi trường vô tuyến được chia sẻ giữa nhiều hệ thống thông tin liên lạc PU và SU [22]

1.2.3 Nền tảng phần cứng thực thi CR

Đối với các vấn đề về phần cứng, cảm nhận phổ trong CR yêu cầu các

bộ biến đổi ADC có tốc độ lấy mẫu cao, độ phân giải và dải động lớn cùng với các bộ xử lý tín hiệu tốc độ cao Các kỹ thuật quan trọng cần phải được tích hợp trong hệ thống như kỹ thuật đánh giá phương sai tạp âm trong máy thu tối ưu, điều khiển công suất hay các kỹ thuật định vị kênh [13] Trong CRN, các thiết bị đầu cuối phải có khả năng xử lý tín hiệu trong một dải tần rất rộng với tốc độ nhanh để tìm kiếm cơ hội hoạt động cho mình Vì vậy các thành phần phần cứng trong hệ thống cũng phải đáp ứng được yêu cầu này Cảm nhận phổ có thể được thực hiện thông qua hai kiến trúc khác nhau:

“vô tuyến đơn” và “vô tuyến kép” [88], [75] Trong kiến trúc “vô tuyến đơn”, cảm nhận phổ chỉ được thực thi trong một khoảng thời gian xác định Ưu điểm dễ thấy của kiến trúc này là sự đơn giản và giá thành thấp của toàn bộ hệ thống Trong kiến trúc “vô tuyến kép”, một thiết bị riêng giữ nhiệm vụ thu phát, trong khi thiết bị thu thứ hai thực hiện nhiệm vụ cảm nhận phổ một cách liên tục, cho phép đánh giá tài nguyên không gian phổ một cách chính xác cũng như tận dụng tối đa cơ hội sử dụng phổ Có rất nhiều các nền tảng phần cứng và phần mềm cho hệ thống CR đã được công bố, trong đó có thể kể đến GNU Radio [11], Universal Software Radio Peripheral (USRP) [24], Shared Spectrum XG Radio [57], FPGA [81], [4],…

1.2.4 Bài toán PU ẩn

Bài toán PU ẩn xảy ra do rất nhiều nguyên nhân khác nhau như suy hao tín hiệu, pha-đing đa đường, che khuất,… và kết quả là SU không phát hiện

được sự tồn tại của PU, dẫn đến gây nhiễu đến sự hoạt động của PU Một trong các giải pháp để vượt qua vấn đề này là áp dụng các cơ chế cảm nhận hợp tác giữa các SU để cập nhật các thông tin đầy đủ về sự hiện diện của PU [26], [27], [8]

1.2.5 Thời gian và tần suất cảm nhận

Thời gian và tần suất cảm nhận phổ là một tham số quan trọng PU có thể đòi hỏi quyền sử dụng băng tần bất cứ khi nào nó cần, và nhiệm vụ của

SU là phải nhanh chóng trao trả lại tài nguyên phổ cho PU Để tránh gây nhiễu tới PU, SU phải phát hiện sự hiện diện của PU nhanh nhất có thể và giải phóng kênh đang chiếm dụng, điều này đặt ra bài toán cho SU với các tham

số về tốc độ và độ chính xác cảm nhận phổ PU [43] Các tham số về thời gian bao gồm thời gian phát hiện kênh, thời gian chuyển kênh,… cũng là các tham

số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng hoạt động của SU [18] Một kênh đang được sử dụng bởi SU thì sẽ không thể thực hiện cho thao tác cảm nhận Bởi vậy, SU sẽ phải tạm ngắt hoạt động phát của nó để thực hiện cảm nhận [43] Để vượt qua trở ngại này, một phương thức gọi là “Nhảy tần động” được trình bày trong [34], trong đó SU sử dụng đồng thời nhiều kênh, gồm kênh làm việc và kênh cảm nhận SU sẽ thực hiện các thao tác phát

xạ và cảm nhận song song, và sẽ di chuyển qua lại giữa các kênh xác định Các yêu cầu về độ nhạy cao đối với CR tạo bởi những sự mất cân bằng

về kênh khác nhau và các vấn đề về việc phát hiện nguồn công suất thấp trong

CR có thể được cải thiện nếu như nhiều người dùng CR hợp tác trong việc cảm nhận kênh Mô hình này còn được gọi là cảm nhận đa sensor hay cảm nhận hợp tác

Trong trường hợp cảm nhận hợp tác, bài toán chia sẻ thông tin từ các CR với nhau và việc tổng hợp kết quả từ nhiều nguồn đo đạc khác nhau cũng là một nhiệm vụ đầy thách thức Các thông tin chia sẻ giữa các CR được phân

loại dưới dạng các thông tin mềm hoặc các quyết định cứng từ mỗi thiết bị

CR [89] Các kết quả mô tả trong [89], [94] cho thấy kết hợp thông tin mềm

có ưu điểm nội trội so với kết hợp thông tin cứng ở khía cạnh xác suất trượt Ngược lại quyết định cứng thể hiện rõ ưu điểm khi số lượng các CR trong mạng là lớn [58]

Trong nhiều trường hợp, những yêu cầu về chất lượng dịch vụ từ PU là một yếu tố quan trọng, và cũng được coi như tham số đầu vào để SU xác lập chế độ làm việc Phương pháp chia sẻ phổ “lai” (hybrid) cho CRN được đưa

ra trong [86] Ở đó, tùy thuộc vào mức độ yêu cầu về chất lượng dịch vụ từ

PU, SU cần quyết định có thể hoạt động theo chế độ underlay hoặc phải chuyển sang chế độ overlay để tránh gây nhiễu cho PU Hiệu năng hoạt động của các hệ thống chia sẻ phổ single-carrier với vấn đề chọn lựa hướng chuyển tiếp được nghiên cứu trong [50] Mô hình cảm nhận phổ hợp tác mô phỏng bằng FPGA được mô tả trong [2]

Cảm nhận phổ có thể được thực hiện bởi mỗi thiết bị CR một cách độc lập mà không quan tâm, hay không có thông tin trao đổi với các CR khác trong mạng Cơ chế cảm nhận này gọi là cảm nhận phổ đơn sensor

Nội dung nghiên cứu của luận án được giới hạn ở phạm vi bộ cảm nhận phổ đơn sensor, các mô hình cấu trúc phần cứng và thuật toán phần mềm cảm nhận phổ đơn sensor sẽ được nghiên cứu sâu ở phần tiếp theo

1.3 Các thuật toán cảm nhận phổ đơn sensor

Khả năng cảm nhận phổ của CR dựa rất nhiều vào các kỹ thuật xử lý tín hiệu Trong mô hình hoạt động của CRN, CR là một thiết bị thông tin liên lạc cần thu giữ được bức tranh sử dụng tài nguyên phổ tần hiện tại trước khi thiết lập thông tin liên lạc của bản thân nó Hành vi này được xem như việc “phát hiện băng trống”, được mô tả như Hình 1.5

Hình 1.5 Kiến trúc bộ phát hiện băng trống

Tín hiệu Y(t) thu tại anten đầu tiên sẽ được lọc để lấy tín hiệu có băng thông BL, sau đó được chuyển xuống băng gốc và số hóa trước khi được gửi đến bộ phát hiện Cuối cùng, dựa trên một thuật toán phát hiện, quyết định sẽ được đưa ra khẳng định băng tần đang trống hay đã bị chiếm dụng Trong trường hợp đơn giản nhất, giá trị đầu vào bộ phát hiện được so sánh với một mức ngưỡng xác định trước Kiến trúc như Hình 1.5 mô tả mô hình thực thi chung nhất Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, bộ phát hiện lấy trực tiếp tín hiệu tương tự từ đầu vào, có thể ở băng gốc, cao tần (RF) hoặc trung tần (IF)

Ở đây, coi băng là trống nếu tín hiệu thu được ở băng này chỉ là tạp âm Ngược lại, nếu tạp âm và tín hiệu được phát hiện, băng tần được coi là đang

bị chiếm

Phụ thuộc vào mức độ “hiểu biết” của thiết bị CR về các tín hiệu thông tin liên lạc được truyền qua BL, nhiều kỹ thuật phát hiện có thể được sử dụng Trong đó các kỹ thuật phổ biến là: (1) Bộ lọc phối hợp, (2) phát hiện thuộc tính dừng vòng (Cyclostationary), và (3) phát hiện năng lượng (Energy Detection - ED) Các kỹ thuật khác ít được nghiên cứu hơn hoặc được coi như dẫn suất của các kỹ thuật trên bao gồm: phát hiện nối tiếp, đa phân giải song song, wavelet

1.3.1 Bộ lọc phối hợp

Sử dụng bộ lọc phối hợp là giải pháp tối ưu để phát hiện tín hiệu với sự

có mặt của tạp âm [68], bởi vì thuật toán có thể phát hiện được tín hiệu trong kênh có tỉ số tín/tạp (SNR) nhỏ nhất (so với các bộ phát hiện khác) Đây là một phương thức phát hiện có độ tin cậy cao, tuy nhiên cần phải giải điều chế tín hiệu, điều này đồng nghĩa là CR cần phải có một hiểu biết trước đó đối với tín hiệu thu về các tham số như: bậc và kiểu điều chế, bộ lọc dạng xung, khuôn dạng khung dữ liệu,v.v Như vậy, bộ lọc phối hợp có lợi thế là chỉ cần

một tập mẫu tín hiệu nhỏ với độ phức tạp tính toán 1/SNR để có thể đạt được

kết quả phát hiện với một xác suất phát hiện cao [10] Số mẫu cần có cho phát

hiện tối ưu là [45]: N = [Q -1 (P d )– Q -1 ( P fa )] 2 ( SNR) -1 = O(SNR) -1 trong đó: P d

là xác suất phát hiện, P fa là xác suất cảnh báo lầm, Q-1 là hàm Q nghịch đảo Lợi thế của việc sử dụng bộ lọc phối hợp là cần ít thời gian hơn so với các phương pháp khác mà vẫn có thể đạt được hiệu quả phát hiện tốt khi chỉ

cần O(SNR) -1 mẫu là đủ để đạt được kết luận với ràng buộc theo một xác suất phát hiện cho trước Tuy nhiên nhược điểm của bộ lọc phối hợp là CR cần phải có một bộ thu dành riêng cho mỗi kiểu tín hiệu phải phát hiện Vì vậy trong trường hợp có rất nhiều dạng sóng cần phải được phát hiện, phương pháp này thường không khả thi

1.3.2 Phát hiện dừng vòng

Trong thực tế, các tín hiệu thông tin liên lạc được điều chế bằng các sóng mang hình sin, các chuỗi xung, các chuỗi trải phổ lặp lại, các chuỗi nhảy tần hoặc các tiền tố tín hiệu (prefixed) vòng Điều này dẫn đến một đặc tính tuần hoàn của tín hiệu mà không tồn tại trong nguồn tạp âm Các tín hiệu đã điều chế này được đặc trưng hóa bởi các tham số dừng vòng, vì các đặc trưng thống kê của chúng (giá trị trung bình, hàm tự tương quan,…) có tính chất

tuần hoàn Vì vậy một phương pháp phát hiện tín hiệu được sử dụng gọi là phát hiện đặc trưng dừng vòng Phương pháp này cho phép bộ phát hiện phân biệt được tạp âm và tín hiệu điều chế, bởi vì tạp âm là một quá trình dừng ở nghĩa rộng với hàm tương quan bằng 0 (bản thân tạp âm không có tính tự tương quan) Như vậy bài toán phát hiện sẽ là phép thử đối với sự hiện diện đặc tính dừng vòng của tín hiệu được thử

Nếu x(t) là một quá trình ngẫu nhiên với giá trị trung bình bằng 0, thì x(t)

được gọi là dừng vòng ở bậc n0 nếu và chỉ nếu các thuộc tính thống kê của nó

ở bậc n0 là một hàm tuần hoàn theo thời gian Một phép thử với hai giả thiết

cho sự xuất hiện của tín hiệu vô tuyến x(t) trong kênh như sau:

- Nếu H 0 thì x(t) là quá trình dừng và kênh trống

- Nếu H 1 thì x(t) là quá trình dừng vòng và kênh đang được sử dụng

Điều này dẫn đến một phép thử dừng vòng thay cho việc phát hiện một tín hiệu có tạp âm, có nghĩa là phép thử này độc lập với tạp âm Nhiều bài báo như [29], [39], [93], [45], [21], [30], [31] đã đưa ra các phép thử khác nhau trên một tần số vòng cho trước Trong [33] và [40], phép thử được thực hiện trên một tập các tần số vòng khác nhau để cải thiện hiệu năng phát hiện

Hình 1.6 Sơ đồ khối bộ phát hiện đặc trưng dừng vòng

Thực thi một hàm tương quan phổ để phát hiện đặc tính dừng vòng được

mô tả trong Hình 1.6 Mô hình này được coi như sự phát triển nâng cao của

mô hình bộ phát hiện năng lượng với một khối tính toán hàm tương quan Các đặc trưng tín hiệu được phát hiện là: số lượng các tín hiệu, kiểu điều chế của chúng, tốc độ dấu và sự xuất hiện của xuyên nhiễu tích cực

Các ưu điểm nổi bật của phương pháp phát hiện đặc tính dừng vòng là: Khả năng phân biệt rất tốt giữa tín hiệu với tạp âm, bởi vì tạp âm không có

tính chất tương quan vòng; Hiệu năng phát hiện rất tốt ở vùng SNR thấp; Khả năng phân loại tín hiệu và độ mềm dẻo trong hoạt động

Tuy nhiên các nhược điểm của phương pháp này là: Vấn đề xử lý tín hiệu phức tạp hơn, thời gian tính toán lâu hơn, vì thế cảm nhận phổ tốc độ cao khó có thể đạt được; Phương thức không thể áp dụng được đối với các tín hiệu không biết trước bởi vì cần phải có một hiểu biết trước về tín hiệu cần phân tích; Tại một thời điểm, chỉ một tín hiệu có thể được phát hiện: để phát hiện nhiều tín hiệu đồng thời, nhiều bộ phát hiện cần phải được thi hành song song hoặc việc phát hiện cần phải được phép thực hiện với tốc độ chậm

1.3.3 Phát hiện năng lượng

Phương pháp phát hiện năng lượng được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực vô tuyến Các khối chức năng cơ bản của một bộ phát hiện năng lượng bao gồm: Một khối bình phương tín hiệu, một khối tích phân và một khối so sánh [14][15] Tín hiệu có thể được xử lý trong miền thời gian hoặc miền tần

số Đối với phương pháp phát hiện trong miền thời gian, sẽ cần một bộ lọc tín hiệu phía trước đối với những tín hiệu cần được phát hiện trước khi đưa vào

bộ bình phương Đối với thực thi trong miền tần số, sau khi tín hiệu được lọc qua bộ lọc dải thông, sẽ được lấy mẫu và biến đổi sang miền tần số bằng bộ biến đổi Fourier Năng lượng của các mẫu tín hiệu nằm trong vùng tần số cần quan tâm sẽ được so sánh với một giá trị ngưỡng

Lợi thế chính của bộ phát hiện năng lượng là không cần phải biết trước bất kỳ thông tin gì về tín hiệu cần phải phát hiện Vì vậy bộ phát hiện năng lượng được phân loại như một bộ phát hiện mù Một lợi thế khác là bộ phát hiện năng lượng có cấu trúc đơn giản, vì thế dễ thực thi

Tuy nhiên các nhược điểm của bộ phát hiện năng lượng là:

- Ngưỡng phát hiện tín hiệu rất nhạy cảm với sự thay đổi của mức tạp

âm, thậm chí kể cả khi mức ngưỡng được tính toán và cài đặt bằng các thuật

toán thích nghi Trong môi trường có pha-đinh, sẽ không có một phương thức

rõ ràng cho việc đặt mức ngưỡng cho các bộ chắn kênh

- Bộ phát hiện năng lượng không phân biệt được sự khác nhau giữa các tín hiệu điều chế, nhiễu và tạp Vì vậy nó không thể nhận dạng ra nhiễu tích cực (interference) và cũng không thể sử dụng lợi thế của các thuật toán xử lý tín hiệu thích nghi để loại bỏ nhiễu tích cực

- Bộ phát hiện năng lượng không làm việc được với các tín hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp và nhảy tần (đối với những tín hiệu này, cần phải có những thuật toán xử lý tín hiệu rất phức tạp)

Để bộ phát hiện năng lượng phát hiện chính xác tín hiệu, thông tin về trạng thái kênh (Channel State Infomation - CSI) là một thông tin quan trọng, bao gồm các tham số về giá trị trung bình, phương sai của tạp âm hoặc tín hiệu Tuy nhiên trong nhiều trường hợp thông tin này không sẵn có ở đầu vào của CR, vì vậy việc đánh giá ước lượng CSI là cần thiết Có nhiều thuật toán

đề xuất giải quyết vấn đề trên Để hiện thực hóa kỹ thuật cảm nhận phổ trong mạng CR sử dụng nhiều anten, [66] phát triển một thuật toán cảm nhận phổ không yêu cầu thông tin về CSI hay thông tin chính xác về giá trị phương sai tín hiệu và tạp âm, trong đó tổng các thành phần tạp âm và tín hiệu tại mỗi anten được cực đại hóa trước khi kết hợp với nhau bằng cách nhân với hệ số liên hợp phức của pha tín hiệu thu Điều này làm cho tạp âm tại mỗi anten thu chỉ ảnh hưởng đến tín hiệu thu tại anten đó, cho phép tăng giá trị trung bình của tín hiệu cộng tạp âm, dẫn tới cải thiện xác suất phát hiện tín hiệu Trong [67], qui tắc OR ở mô hình cảm nhận hợp tác trong một mạng nhiều CR được

áp dụng cho một thiết bị CR sử dụng nhiều anten xử lý song song để nâng cao khả năng phát hiện tín hiệu Thuật toán được chứng minh qua mô hình sử dụng 2 anten và một bộ tạo biến ngẫu nhiên

1.3.4 Phát hiện năng lượng với nhiều mức phân giải tần số

Một nhược điểm của phương thức phát hiện năng lượng kinh điển là thời gian cảm nhận dài, đặc biệt trong trường hợp băng thông hệ thống lớn, hoặc khi yêu cầu về độ phân giải phổ tần cần phải rất tốt Thời gian cảm nhận có thể được giảm xuống bằng cách sử dụng kỹ thuật cảm nhận phổ đa phân giải (MRSS – Multi Resolution Spectrum Sensing) Ban đầu, toàn bộ băng thông

hệ thống được cảm nhận sử dụng mức phân giải thô Sau đó, cảm nhận phổ với độ phân giải tốt hơn sẽ được thực hiện trên một dải tần số nhỏ hơn Kỹ thuật này không chỉ làm giảm tổng số khối cần phải được cảm nhận, mà còn tránh không phải cảm nhận toàn bộ băng thông hệ thống ở độ phân giải tối đa Nhiều mô hình bộ cảm nhận đã được đưa ra nhằm cải thiện thời gian và chất lượng cảm nhận: mô hình kết hợp bộ phát hiện năng lượng cho cảm nhận băng rộng làm việc nối tiếp với thuật toán phát hiện đặc trưng tín hiệu cho cảm nhận băng hẹp được [17] đề xuất Trong [64], cảm nhận phổ băng rộng được thực hiện bằng phương pháp cảm nhận song song nhiều kênh băng hẹp

sử dụng một mạch điều hưởng đa tần số trên nền tảng bộ cảm nhận nhiều sensor Một cơ sở dữ liệu lưu trữ được cập nhật và sử dụng cho mô hình hợp tác, tuy nhiên các tham số không được mô tả rõ Thuật toán cảm nhận hai bước được trình bày trong [18], bước cảm nhận tinh sử dụng các kết quả cảm nhận của bước cảm nhận thô để ước lượng kênh tốt nhất cho chu kỳ sử dụng phổ kế tiếp

Một phương pháp tiếp cận sử dụng các kỹ thuật cảm nhận đa phân giải được mô tả trong [61] sử dụng một bộ phát hiện năng lượng trên cơ sở bộ biến đổi FFT Bên cạnh kỹ thuật cảm nhận đa phân giải, kỹ thuật cảm nhận song song có thể sử dụng để giảm thời gian cảm nhận hơn nữa Phát triển ý tưởng của [61], [97] đề xuất một kiến trúc cho bộ thu cảm nhận phổ dải rộng, trong đó dành riêng một khối máy thu (Dedicated Sensing Receiver - DSR) để