Đồng bộ trong hệ thống overlay cognitive

Đồng bộ trong hệ thống overlay cognitive

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: (bằng chữ ……… )

Ngày … tháng … năm …… Giáo viên hướng dẫn

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: (bằng chữ ……… )

Ngày … tháng … năm …… Giáo viên phản biện

em bước vào đời một cách vững chắc và tự tin

Em cũng xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn động viên khích lệ, tạo mọi điều kiện tốt nhất trong quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện đồ án

Mặc dù em đã cố gắng nhiều nhưng chắc chắn đồ án còn nhiều thiếu sót Em mong thầy cô tiếp tục chỉ bảo và giúp đỡ thêm để đồ án ngày càng hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN COGNITIVE 3

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 3

1.1.1 Mục đích nghiên cứu mạng vô tuyến Cognitive 3

1.1.2 Đặc điểm của mạng CRN 6

1.2 CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN COGNITIVE 7

1.2.1 Khái niệm vô tuyến Cognitive 7

1.2.2 Khả năng của thiết bị đầu cuối vô tuyến Cognitive 8

1.2.3 Cấu trúc vật lý của thiết bị đầu cuối CR 10

1.3 KIẾN TRÚC MẠNG VÔ TUYẾN COGNITIVE 12

1.3.1 Phân loại kiến trúc mạng vô tuyến Cognitive 13

1.3.2 Kiến trúc mạng vô tuyến Cognitive 16

1.4 MỘT SỐ KỊCH BẢN TRIỂN KHAI MẠNG VÔ TUYẾN COGNITIVE 18

1.4.1 Mạng vô tuyến Interweave Cognitive 18

1.4.2 Mạng vô tuyến Underlay Cognitive 19

1.4.3 Mạng vô tuyến Overlay Cognitive 20

1.5 ỨNG DỤNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN COGNITIVE 22

1.5.1 Mạng cho thuê 22

1.5.2 Mạng lưới Cognitive 22

1.5.3 Mạng khẩn cấp 22

1.5.4 Mạng quân sự 23

CHƯƠNG II CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 24

2.1 GIỚI THIỆU 24

2.2 CÁC TÁC ĐỘNG CỦA PHẦN CỨNG KHÔNG LÝ TƯỞNG 24

2.3 CÁC THÔNG SỐ CỦA KÊNH VÔ TUYẾN 25

2.3.1 Trễ trội – Excess Delay 26

2.3.2 Lý lịch trễ công suất 27

2.3.3 Băng thông nhất quán Bc 28

2.3.4 Băng thông nhất quán và tín hiệu tham chuẩn miền tần số 28

2.3.5 Trải Doppler 29

2.3.6 Thời gian nhất quán và các tín hiệu hoa tiêu miền thời gian 30

2.4 CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 31

2.4.1 Kênh Gauss 31

2.4.2 Kênh Rice 32

2.4.3 Kênh pha đinh Rayleigh 32

2.5 KẾT LUẬN 33

CHƯƠNG III ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OVERLAY COGNITIVE 34

3.1 ĐỒNG BỘ TRONG CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN THÔNG DỤNG VÀ COGNITIVE 34

3.1.1 Đồng bộ trong các hệ thống thông tin 34

3.1.2 Đồng bộ thời gian và tần số trong hệ thống OFDM 36

3.1.3 Đồng bộ trong đường xuống của hệ thống LTE 45

3.1.4 Đồng bộ trong hệ thống DVB-T 50

3.1.5 Đồng bộ trong hệ thống vô tuyến Overlay Cognitive 54

3.2 ĐO LƯỜNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TRONG CÁC HỆ THỐNG LTE, DVB-T VÀ OVERLAY COGNITIVE 56

3.2.1 Đồng bộ thời gian, tần số và tìm ô trong hệ thống LTE 56

3.2.2 Đồng bộ thời gian, tần số trong hệ thống DVB-T 62

3.2.3 Đồng bộ trong hệ thống Overlay Cognitive 66

3.3 KẾT LUẬN 71

KẾT LUẬN CHUNG 72

PHỤ LỤC A 73

PHỤ LỤC B 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sử dụng phổ ở Berkerley, Mĩ 4

Hình 1.2 Khái niệm hố phổ 5

Hình 1.3 Bộ thu phát CR 11

Hình 1.4 Đầu cuối RF tuyến thu 11

Hình 1.5 Kiến trúc mạng tập trung 13

Hình 1.6 Kiến trúc Ad-hoc 14

Hình 1.7 Kiến trúc hình lưới 15

Hình 1.8 Kiến trúc mạng vô tuyến Cognitive 16

Hình 1.9 Chia sẻ phổ tần trong mạng Underlay Cognitive 19

Hình 1.10 Chia sẻ phổ tần trong mạng Overlay và Underlay Cognitive 21

Hình 3.1 Bộ điều chế BPSK với các thông số được ước tính 35

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM 37

Hình 3.3 Hệ số định thời phần mở đầu của một mạng WLAN trên kênh AWGN 20dB, chiều dài FFT là 512 và chiều dài CP là 64 40

Hình 3.4 Hệ số định thời và đầu ra lọc phối hợp 41

Hình 3.5 Mô hình của ký hiệu OFDM trong miền thời gian 42

Hình 3.6 Một phần các mẫu thu được ở tín hiệu DVB-T chế độ 2K, khoảng bảo vệ ¼ với SNR là 20dB 44

Hình 3.7 Cấu trúc lưới tài nguyên không gian thời gian – tần số của LTE 46

Hình 3.8 Các ký hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp trong một khung LTE 48

Hình 3.9 Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ) 51

Hình 3.10 Phân bố các hoa tiêu của DVB-T 52

Hình 3.11 Độ lớn và pha của đáp ứng tần số kênh tại trễ là 20 mẫu 55

Hình 3.12 Kịch bản mô phỏng cho đồng bộ và tìm kiếm ô trong LTE 57

Hình 3.13 Đầu ra tương quan chéo của tín hiệu LTE với các chuỗi sơ cấp có chỉ số gốc 29, 25, 34 58

Hình 3.14 Đầu ra của thuật toán phát hiện đỉnh 59

Hình 3.15 Đầu ra tương quan chéo của tín hiệu thu được với các chuỗi thứ cấp 59

Hình 3.16 Pha tự tương quan của tín hiệu LTE sau khi hiệu chỉnh pha 60

Hình 3.17 Chòm sao BPSK của tín hiệu LTE sau khi đồng bộ và cân bằng 61

Hình 3.18 Độ lớn của lỗi do FO trong hệ thống DVB-T 61

Hình 3.19 Đầu ra tự tương quan của tín hiệu DVB-T 63

Hình 3.20 Pha đầu ra tự tương quan của tín hiệu DVB-T 63

Hình 3.21 Pha đầu ra tự tương quan sau khi hiệu chỉnh pha 64

Hình 3.22 ĐộlớncủalỗidoFOtronghệthốngDVB-T 64

Hình 3.23 Pha do dịch lấy mẫu theo các sóng mang con 65

Hình 3.24 Các ký hiệu chòm sao 16QAM của một tín hiệu DVB-T sau khi cân bằng 65 Hình 3.25 Đáp ứng pha của kênh overlay chuyển tiếp 66

Hình 3.26 Độ lớn lỗi đối với SNR cho các FFO tương đối trước và sau khi bù FFO 67

Hình 3.27 Dịch tần ước tính tương đối và dịch tần tương đối 68

Hình 3.28 Các ký hiệu chòm sao sơ cấp trước (trái) và sau (phải) khi cân bằng 68

Hình 3.29 Các ký hiệu chòm sao thứ cấp trước (trái) và sau (phải) khi cân bằng 69

Hình 3.30 Các đường cong BER sơ cấp (QPSK) và thứ cấp (QPSK) với các giá trị trễ khác nhau 70

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Cụm từ

viết tắt Từ tiếng anh

Nghĩa tiếng việt (nếu có)

3GPP Third Generation Partnership

Project

A ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số

B

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

C

CFO Carrier Frequency Offset Dịch tần số sóng mang

D

DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi số sang tương tự

(I)DFT (Inverse) Discrete Fourier

Transform Biến đổi Fourier rời rạc (ngược)

DVB-T Digital Video

Broadcasting-Terrestrial Truyền hình số mặt đất

F

FDD Frequency Division Duplex Song công theo tần số

FFO Fractional Frequency Offset Phần thập phân của dịch tần số (I)FFT (Inverse) Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh (ngược)

I

ICI Intercarrier Interference Nhiễu liên sóng mang

IFO Integer Frequency Offset Phần nguyên của dịch tần số

ISI InterSymbol Interference Nhiễu liên ký hiệu

L

PRBS Pseudo Random Binary Sequence Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên PSS Primary Synchronization Signal Tín hiệu đồng bộ sơ cấp

Q

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc

R

SCFO Sampling Carrier Frequency

SSS Secondary Synchronization

STO Symbol Time Offset Dịch định thời ký hiệu

T

TDD Time Division Duplex Song công theo thời gian

TPS Transmission Parameter Signaling Tín hiệu thông số truyền dẫn

U

W

WLAN Wireless Local Area Networks Mạng không dây cục bộ

Z

LỜI MỞ ĐẦU

Các hệ thống thông tin vô tuyến hiện nay đều đặc trưng bởi chính sách cấp phát phổ tần cố định Trong đó, hầu hết các dải tần số đều được phân chia cố định cho từng ứng dụng vô tuyến cụ thể Tuy nhiên, mặc dù phương thức phân chia tần số này có nhiều nhiều ưu điểm nhưng nó cũng gây ra sự lãng phí nguồn tài nguyên số Nhiều cuộc nghiên cứu đã chỉ ra rằng các dải tần số đã được cấp phép đang được sử dụng với hiệu suất rất thấp Theo như Ủy ban truyền thông liên bang Mỹ FCC, hiệu suất sử dụng các dải tần số đã được cấp phép chỉ đạt được từ 15% đến 85% tổng số phổ tần khả dụng Trong khi đó, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và nhu cầu con người, ngàycàng có nhiều ứng dụng thông tin vô tuyến mới ra đời và đòi hỏi lượng tần

số rất lớn Tuy nhiên, do hầu hết các dải tần số khả dụng đều đã được phân chia cho các ứng dụng trước đó nên những ứng dụng vô tuyến mới khó có điều kiện phát triển Điều này đòi hỏi phải có một công nghệ mạng mới ra đời để khai thác phổ tần số hiện tại một cách hiệu quả hơn và đáp ứng các nhu cầu của các ứng dụng mới

Ý tưởng về mạng vô tuyến Cognitive được đưa ra nhằm đáp ứng nhu cầu bức thiết trên Mạng vô tuyến Cognitive sẽ khai thác những khoảng phổ đang được bỏ trống để cung cấp băng thông rộng cho các ứng dụng vô tuyến thông qua các kiến trúc phức tạp và sử dụng công nghệ công nghệ truy cập phổ linh hoạt Do đó, vấn đềc ấp thiết đặt ra hiện nay là cần phải nghiên cứu, nắm chắc đặc điểm của mạng vô tuyến Cognitive, từng bước đi vào nghiên cứu các ứng dụng của nó Chính vì vậy, cùng với

sự định hướng của cô giáo Th.S Phạm Thị Thúy Hiền, em đã chọn đề tài nghiên cứu

“Đồng bộ trong hệ thống Overlay Cognitive” cho đồ án tốt nghiệp của mình Nội dung chính của đề tài là tìm hiểu một trong những hoạt động quan trọng và khó khăn nhất của mạng vô tuyến Cognitive là đồng bộ

Nội dung chính của đồ án gồm 3 chương:

Chương I: Tổng quan về vô tuyến Cognitive: Chương này trình bày những

vấn đề cơ bản về mạng vô tuyến nhận thức bao gồm: mục đích nghiên cứu, các đặc điểm chính, kiến trúc của mạng vô tuyến Cognitive

Chương II: Các ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến: Chương này tập trung

mô tả các tác động của phần cứng không lý tưởng, các thông số của kênh vô tuyến và

mô hình hóa các ảnh hưởng của chúng đến kênh vô tuyến thông qua các kênh mô hình khác nhau nhằm ước tính được tín hiệu đã phát từ tín hiệu thu được đồng thời cải thiện hiệu năng hệ thống Đây là cơ sở cho thủ tục đồngbộ trong các hệ thống thông tin vô tuyến, từ đó thực hiện đồng bộ trong hệ thống Overlay Cognitive

Chương III: Đồng bộ trong hệ thống Overlay Cognitive: chương này trình

bày về thủ tục đồng bộ trong các hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và trình bày chi tiết về đồng bộ trong hệ thống OFDM, đường xuống của hệ thống LTE, hệ thống DVB-T và hệ thống Overlay Cognitive Bên cạnh đó, chương cũng đưa ra và phân tích, đánh giá các kết quả mô phỏng đồng bộ trong các hệ thống trên

Mặc dù hết sức cố gắng, nhưng do thời gian và kiến thức có hạn nên đồ án chắc chắn còn nhiều thiếu sót Em rất mong được sự đóng góp của thầy cô để đề tài được hoàn thiện hơn

Em xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2013

Sinh viên

Vũ VănMinh

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN COGNITIVE

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.1 Mục đích nghiên cứu mạng vô tuyến Cognitive

Tần số là một nguồn tài nguyên vô cùng quý giá trong thông tin vô tuyến Hiện nay, tần số vẫn còn là một nguồn tài nguyên hạn chế Tính chất hạn chế ở đây được hiểu là dải tần số thì vô hạn song con người mới chỉ có thể sử dụng được khoảng 100Ghz đầu tiên để truyền tín hiệu vô tuyến Trong khi đó có rất nhiều ứng dụng vô tuyến cùng sử dụng nguồn tài nguyên hạn chế này Chính vì vậy mà việc sử dụng tần

số phải đưuọc quản lý một cách cẩn thận trong phạm vi mỗi quốc gia và trên toàn thế giới Ở phạm vi một quốc gia, nguồn tài nguyên tần số được quản lí bởi ủy ban quản lý tần số của nhà nước Ủy ban này thực hiện việc phân chia và cấp giấy phép quyền sử dụng các dải tần số khác nhau cho các nhà khai thác để cung cấp một dịch vụ nhất định Ủy ban này cũng đưa ra các quy định tiêu chuẩn để đảm bảo không xảy ra sự chồng lấn và gây nhiễu lẫn nhau giữa các mạng của các nhà khai thác đó Việc cấp phát các dải tần số cũng phải tuân thủ các nguyên tắc chung mang tính quốc tế nhằm điều hòa việc sử dụng tần số giữa các quốc gia và vùng lãnh thổ với nhau

Hiện nay, các mạng vô tuyến đều có đặc điểm là sử dụng những dải tần số cố định Tức là hệ thông đều được thiết kế để hoạt động trên dải tần mà nó được cấp phép Trước hết, một số dải tần được ấn định cho các mục đích tối quan trọng của xã hội như các dịch vụ khẩn cấp, đảm bảo an toàn, dịch vụ hàng không… Các dải tần khác được ấn định cho những mục đích sử dụng mang tính thương mại như phát thanh truyền hình, điện thoại di động,… Cuối cùng, có một khối lượng nhỏ phổ tần số không cần cấp phép và bất kì người nào cũng có quyền sử dụng nó Một ví dụ điển hình của loại này là dải tần số dùng cho các mục đích công nghiệp, khoa học và y tế ISM

Chính sách cấp phát phổ tần có rất nhiều ưu điểm Ưu điểm đầu tiên là tính đơn giản trong quản lí Do đối với mỗi dải tần số, quyền sử dụng đã được cấp phép độc quyền cho các mục đích cụ thể nên không còn xảy ra tình trạng cạnh tranh không rõ

ràng về quyền được sử dụng dải tần đó Điều này làm cho việc quản lí phổ tần số dễ dàng hơn Thứ hai, hầu hết các hệ thống thông tin vô tuyến hiện nay đều được thiết kế

và chỉ làm việc trong một dải tần số xác định Chính sách cấp phát phổ tần cố định đảm bảo quyền sử dụng độc quyền và lâu dài một dải tần số cho một nhà khai thác dịch vụ Điều này đã khuyến khích và tạo ra tâm lý yên tâm cho các nhà đầu tư bỏ ra những khoản vốn lơn để xây dựng hệ thống và đầu tư cho việc phát triển các nghiên cứu, cải tiến nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ Do đó mà càng ngày càng có nhiều loại hình dịch vụ chất lượng cao, giá cả cạnh tranh đến với người sử dụng Vậy là người sử dụng đã được hưởng lợi từ tác động của chính sách cấp phát tần số cố định Cuối cùng việc hoạt động trong một dải tần số làm cho cấu trúc thiết bị và việc triển khai hệ thống có điều kiện để đơn giản hơn dẫn đến chất lượng dịch vụ tốt hơn

Mặc dù chính sách cấp phát tần số cố định có nhiều ưu điểm song nó cũng gây

ra sự lãng phí rất lớn trong việc sử dụng nguồn tài nguyên tần số Hiện nay, nhiều cuộc nghiên cứu đã chỉ ra rằng các dải tần số đã được cấp phép đang được sử dụng với hiệu suất rất thấp Theo như ủy ban truyền thông liên bang Mĩ FCC, hiệu suất sử dụng các dải tần số đã được cấp phép chỉ đạt được từ 15% đến 85% tổng số phổ tần khả dụng và giá trị này thay đổi theo cả thời gian và vị trí địa lí đối với từng dải tần Hình 1.1 cho thấy tình hình sử dụng tần số ở Berkerley, California, Mĩ trong dải tần số từ 1GHz đến 6Ghz Dựa vào hình trên, ta thấy bên cạnh những dải tần số 0-2Ghz được sử dụng rất hiệu quả thì những dải tần số từ 3-5GHz được sử dụng rất ít Điều này cho thấy một khối lượng lớn phổ đang được sử dụng với hiệu suất rất thấp

Hình 1.1 Sử dụng phổ ở Berkerley, Mĩ

Người ta gọi những dải tần số đang không được sử dụng là những khoảng trắng hay hố phổ S.Haykin đã đưa ra khái niệm đầy đủ về hố phổ trong [3] như sau:

“Một hố phổ là một dải tần số đã được cấp cho một người sử dụng nhưng tại một thời điểm nào đó trong một vùng địa lí nhất định, dải tần số này đang không được

sử dụng bởi người đó”

Hình 1.2 Khái niệm hố phổ

Người được cấp phép sử dụng một dải tần được gọi là người sử dụng sơ cấp PU hay người dùng đã được cấp phép của dải tần đó và những người sử dụng khác không được phép sử dụng dải tần này cho dù nó đang được bỏ trống nếu không có sự đồng ý của PU Một vấn đề đặt ra hiện nay là làm sao tận dụng được nhưng hố phổ này nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng phổ góp phần giải quyết nguồn tài nguyên ngày càng thiếu như hiện nay Do những hố phổ thường chỉ xuất hiện một cách ngẫu nhiên nên chúng

ta chỉ có thể sử dụng chúng theo cơ hội Tức là chỉ có thể sự dụng những dải tần đó khi nó đang được bỏ trống và nhanh chóng rời khỏi khi PU sử dụng nó

Để có thể tận dụng được các hố phổ, yêu cầu một hệ thông phải có khả năng truy nhập phổ rất linh hoạt Các mạng vô tuyến hiện tại với những giao thức cố định không thể thực hiện được khả năng truy cập phổ linh hoạt như vậy Điều đó đòi hỏi phải có một mô hình mạng mới ra đời có khả năng khai thác hiệu quả những hố phổ

Vì vậy, ý tưởng về mạng vô tuyến Cognitive CRN được đưa ra để kịp thời đáp ứng yêu cầu này Mạng CRN với khả năng truy cập phổ linh hoạt DSA sẽ khai thác các hố phổ

để cung cấp băng thông rộng cho các ứng dụng vô tuyến thông qua các kiến trúc phức

tạp Những người sử dụng trong CRN sẽ đứng vai trò như người sử dụng thứ cấp SU đối với những dải tần đã được cấp phép và có quyền ưu tiên thấp hơn so với các PU trong dải tần thuộc sở hữu của chúng

 Cảm biến phổ: Xác định được các dải tần số đang trống và phát hiện một cách

kịp thời sự có mặt của các PU trên dải tần số đó để không gây nhiễu cho họ

 Quản lí phổ: Lựa chọn kênh tần số khả dụng tốt nhất, phù hợp với các yêu cầu

của người sử dụng

 Chia sẻ phổ: Cung cấp phương thức chia sẻ phổ tần số một cách công bằng

giữa các người sử dụng của CRN

 Di chuyển phổ: Rời khỏi kênh khi phát hiện thấy PU và duy trì các yêu cầu

thông tin một cách liền mạch trong suốt quá trình chuyển đổi sang dải tần số khả dụng khác

Hơn thế nữa, mục đích của CRN không chỉ đơn thuần nâng cao hiệu quả sử dụng tần số mà hướng tới việc tối ưu chất lượng hoạt động của toàn mạng để có thể cung cấp một dịch vụ thông tin chất lượng cao cho người sử dụng Do đó, CRN được định nghĩa là một hệ thống thông tin vô tuyến Cognitive có nhiều người sử dụng, thực hiện các nhiệm vụ cơ bản như sau:

 Nhận thức môi trường vô tuyến bên ngoài bằng cách ra lệnh cho các máy thu phát của người sử dụng cảm biến môi trường liên tục theo thời gian.Phân tích các đặc điểm của môi trường và thay đổi các tham số hoạt động của mỗi máy thu phát thích ứng với những thay đổi ngẫu nhiên của môi trường nhằm đạt chất lượng hoạt động tốt nhất

 Tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền tin giữa nhiều người sử dụng thông qua việc hợp tác theo cách thức tự tổ chức

 Điều khiển các quá trình truyền tin giữa nhiều người sử dụng đang cùng có nhu cầu thông qua việc cấp phát chính xác những nguồn tài nguyên khả dụng phù hợp nhất đối với từng yêu cầu riêng biệt của từng ứng dụng

Tất cả các nhiệm vụ trên đều được thực hiện theo thời gian thực nhằm để đạt được hai mục đích cơ bản Thứ nhất là cung cấp việc truyền tin với độ tin cậy cao cho tất cả các người sử dụng Thứ hai là nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số vô tuyến thông qua việc phân chia công bằng và phù hợp với các ứng dụng

Để có thể thực hiện được các chức năng nói trên thì CRN yêu cầu một thiết bị

vô tuyến phải có khả năng rất mềm dẻo để có thể thay đổi một cách nhanh chóng các chức năng giao thức khác nhau trong khi nó di chuyển Sau đây chúng ta sẽ giới thiệu một công nghệ mới có tên là vô tuyến Cognitive CR Đây là công nghệ đóng vai trò then chốt để có thể xây dựng lên CRN

1.2 CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN COGNITIVE

1.2.1 Khái niệm vô tuyến Cognitive

Công nghệ CR là một sự cải tiến, phát triển của công nghệ vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm SDA CR là một công nghệ cho phép có thể thực hiện được SDA trong CRN

Hiện nay có rất nhiều định nghĩa khác nhau về CR Đơn giản như trong [4], CR được định như sau:

“CR là một hệ thống vô tuyến có thể thay đổi các tham số phát của nó dựa trên sự tương tác với môi trường mà nó đang hoạt động”

Hoặc như theo S Haykin trong [5] thì CR được định nghĩa là:

“CR là một hệ thống thông tin vô tuyến thông minh có khả năng nhận thức về môi trường xung quanh nó và sử dụng phương pháp luận hiểu nhờ xây dựng để tìm hiểu môi trường và thay đổi các trạng thái bên trong của nó thích ứng với các thay đổi ngẫu nhiên của các tác động RF đầu vào bằng cách thay đổi tương ứng các tham số hoạt động như: công suất phát, tần số sóng mang và phương thức điều chế theo thời gian

thực, với hai mục tiêu cơ bản là: luôn truyền tin với độ tin cậy cao bất cứ khi nào cần đến, sử dụng hiệu quả tần số vô tuyến.”

1.2.2 Khả năng của thiết bị đầu cuối vô tuyến Cognitive

Một thiết bị có khả năng CR (gọi tắt là đầu cuối CR) có thể là một node mạng hay một đầu cuối thông tin trong mạng CRN Những khả năng của đầu cuối CR sẽ được phân loại theo các chức năng của nó dựa trên định nghĩa về CR nêu trên Một đầu cuối CR sẽ cảm nhận môi trường (khả năng nhận thức); phân tích, nghiên cứu thông tin cảm nhận được (khả năng tự tổ chức) và thay đổi thích ứng với môi trường (khả năng tự tái cấu hình)

1.2.2.1 Khả năng nhận thức

Khả năng nhận thức là khả năng mà đầu cuối CR có thể “nghe” thông tin từ môi trường bên ngoài Chúng ta có thể tóm tắt khả năng nhận thức vào những nhiệm vụ như sau:

 Cảm biến phổ: Một đầu cuối CR có thể cảm nhận và phát hiện ra các hố phổ ở các dải tần số khác nhau mà không gây ảnh hưởng đến PU của dải tần đó

 Chia sẻ phổ: Một đầu cuối CR có thể sát nhập vào một cơ cấu mà cho phép chia

sẻ phổ theo một sự thỏa thuận giữa một bên được cấp phép và một bên thứ ba Các bên thậm chí có thể đàm phán việc sử dụng phổ trên cơ sở thời gian thực hoặc kiểu ad-hoc mà không cần sự thỏa thuận trước

 Xác định vị trí: Một đầu cuối CR có thể xác định được vị trí của nó và của các máy phát khác, sau đó lựa chọn các tham số hoạt động phù hợp như công suất phát và tần số cho phép ở vị trí đó

 Phát hiện các hệ thống : Một thiết bị đầu cuối CR có khả năng phát hiện ra các hệ thống, mạng khả dụng đang hoạt động quanh nó Ví dụ khi một đầu cuối CR cần thực hiện một cuộc gọi và phát hiện có một trạm gốc của GSM ở gần đấy thì có thể thực hiện cuộc gọi thông qua kết nối trực tiếp đến trạm gốc này hoặc

thông qua các đầu cuối CR khác Khả năng này cho phép đầu cuối CR có thể duy trì thông tin ở bất kỳ vị trí nào

 Phát hiện ra dịch vụ: Phát hiện ra dịch vụ luôn đi kèm với khả năng phát hiện ra hệ thống Các nhà khai thác hệ thống cung cấp các dịch vụ thông qua các mạng truy cập của họ Một đầu cuối CR sẽ tìm thấy các dịch vụ phù hợp đáp ứng các nhu cầu của mình

1.2.2.2 Khả năng tự tái cấu hình

Khả năng tự tái cấu hình là khả năng điều chỉnh các tham số hoạt động mà không cần có bất kỳsự thay đổi nào trên phần cứng Trong khi khả năng nhận thức cung cấp thông tin liên quan đến tần số thì khả năng tự tái cấu hình cho phép hệ thống được lập trình một cách linh hoạt bám theo môi trường vô tuyến Cụ thể hơn là đầu cuối CR có thể được lập trình để truyền và nhận thông tin trên nhiều dải tần số và sử dụng các công nghệ truy cập truyền dẫn khác nhau được hỗ trợ bởi phần cứng của nó Đầu cuối CR có khả năng tự cấu hình lại đối với các tham số như sau:

 Thay đổi tần số hoạt động: Một đầu cuối CR có thể thay đổi rất nhanh tần số hoạt động của nó Sự thay đổi nhanh nhạy này kết hợp với một phương thức lựa chọn linh hoạt tần số hoạt động phù hợp dựa vào thông tin từ môi trường

 Mã hóa/điều chế thích nghi: Kỹ thuật điều chế và mã hóa có thể được thay đổi

để làm thay đổi dạng sóng và đặc tính truyền dẫn của tín hiệu để thích nghi với môi trường vô tuyến, làm cho tần số được sử dụng hiệu quả hơn và có thể hoạt động song song cùng với các hệ thống khác Một đầu cuối CR có thể lựa chọn phương thức điều chế phù với một hệ thống truyền dẫn nhất định cho phép các hệ thống có thể tương tác với nhau

 Điều khiển công suất: Điều khiển công suất là một đặc tính cho phép một thiết

bị có thể thay đổi giữa một vài mức công suất phát trong quá trình truyền dẫn

dữ liệu Điều khiển công suất giúp cho việc chia sẻ phổ của đầu cuối CR dễ dàng hơn

 Truy cập vào các hệ thống một cách linh hoạt: Để các đầu cuối CR có thể truy cập đến nhiều hệ thống thông tin có các giao thức khác nhau thì khả năng tự cấu

hình lại cho phép đầu cuối CR có thể tương thích với các hệ thống này khi cần thiết Khả năng này rất hữu ích khi đầu cuối CR hoạt động trong các môi trường

mà có nhiều hệ thống vô tuyến cùng tồn tại

1.2.2.3 Khả năng tự tổ chức

Khả năng tự tổ chức nghĩa là CR sẽ có khả năng tự tổ chức việc truyền tin của

nó dựa trên các chức năng cảm biến và cấu hình lại:

 Quản lí tài nguyên vô tuyến: để tổ chức và quản lý một cách hiệu quả thông tin về các hố phổ giữa các CR thì rất cần thiết phải có một cơ cấu quản lý phổ hợp lý

 Quản lí kết nối và tính di động: do tính không đồng nhất của CRNs nên thông tin

về cấu trúc mạng liên quan đến việc định tuyến rất phức tạp Quản lí kết nối và tính di động tốt có thể giúp đỡ việc phát hiện ra các hệ thống lân cận, phát hiện truy cập internet khả dụng và hỗ trợ việc chuyển giao dọc, giúp đỡ các CR lựa chọn đường đi và các mạng phù hợp

 Quản lí an ninh/ đảm bảo tính tin cậy: các mạng vô tuyến nhận thức thực chất là các mạng không đồng nhất Sự không đồng nhất dẫn đến rất nhiều các vấn đề an ninh cần quan tâm Do đó, độ tin cậy là một điều kiện tiên quyết cho các hoạt động trong các mạng vô tuyến nhận thức

1.2.3 Cấu trúc vật lý của thiết bị đầu cuối CR

Một bộ thu phát CR có các thành phần cơ bản giống như một bộ thu phát SDR thông thường, bao gồm 2 phần chính là phần đầu cuối RF (RF Front-End) và phần xử

lí băng gốc Mỗi thành phần có thể được tái cấu hình thông qua một bus điều khiển để

có thể thích ứng với sự thay đổi theo thời gian của môi trường vô tuyến Trong phần

xử lí băng gốc, tín hiệu được lọc, điều chế/giải điều chế và mã hóa/giải mã Phần xử

lí băng gốc của CR về cơ bản là giống với các thiết bị SDR thông thường, tức là có khả năng cấu hình lại thông qua lập trình phần mềm trên các con chip xử lí tín hiệu số DSP Phần tạo nên sự khác biệt và tiến bộ của các bộ thu phát CR là đầu cuối RF Do vậy chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu phần đầu cuối cao tần

Cấu trúc phổ biến của một thiết bị thu phát CR được thể hiện trong hình 1.3

Hình 1.3 Bộ thu phát CR

Đặc điểm đặc biệt của bộ thu phát CR là khả năng hoạt động dải rộng của phần đầu cuối RF Tất cả các thành phần trong đầu cuối RF đều có khả năng hoạt động trong một dải tần đủ rộng để bộ thu phát CR có thể hoạt động trên tất cả các tần số mà nó mong muốn

Hình 1.4 Đầu cuối RF tuyến thu

Hình 1.4 miêu tả cấu trúc điển hình của phần đầu cuối RF trong máy thu CR

Nó bao gồm các khối cơ bản giống như máy thu thông thường Điểm khác biệt của CR

là khả năng hoạt động dải rộng và các yêu cầu kỹ thuật phức tạp Khi thực hiện thu trong một dải tần nhất định, do việc lựa chọn kênh chỉ xảy ra sau bộ đổi tần xuống nên một thách thức mà máy thu CR phải đối mặt là tình trạng bão hòa máy thu do các tín hiệu ngoài băng gây ra Điều này có nghĩa là các thành phần giống như bộ khuếch đại

tạp âm thấp LNA có thể bị bão hòa do các tín hiệu nằm trong dải dần hoạt động của máy thu nhưng không nằm trong dải tần mà máy thu muốn giải điều chế trong một thời gian nhất định có cường độ quá mạnh Thách thức này có thể được khắc phục bằng cách đặt các mạch lọc khía cao tần có khả năng điều hưởng trước LNA Nhưng giá thành của các bộ lọc này là rất cao và khả năng điều hưởng của nó cũng chỉ hạn chế ở một giới hạn nhất định

Mặt khác, khi thực hiện cảm biến phổ thì máy thu CR sẽ phải thu tín hiệu trong một dải tần rộng Anten sẽ phải thu các tín hiệu từ nhiều máy phát đang hoạt động ở các mức công suất, trong các dải tần và ở các vị trí khác nhau Tín hiệu sau khi được

xử lý ở phần cao tần sẽ được đưa vào bộ ADC, một số phép đo được thực hiện trên các mẫu thu được để có thể phát hiện ra sự hiện diện hay vắng mặt của các PU Cảm biến dải rộng yêu cầu một bộ ADC có tốc độ cao lên tới vài GHz Để phát hiện các tín hiệu

có cường độ nhỏ trong dải động rất lớn của tín hiệu thu yêu cầu ADC phải có độ phân dải rất cao, có thể là 12 bit hoặc lớn hơn Một bộ ADC đáp ứng được các yêu cầu này

có thể không chế tạo được Vì vậy, ta có thể tìm cách giảm dải động của tín hiệu thu bằng cách loại bỏ những tín hiệu có cường độ mạnh trong dải tần thu mà không liên quan đến việc cảm biến phổ Do những tín hiệu có cường độ mạnh có thể được đặt ở bất kỳ vị trí nào trong dải tần rộng nên ta phải sử dụng các mạch lọc khía có thể điều hưởng để loại bỏ các tín hiệu này

Những giải pháp kỹ thuật để có thể thực hiện được các yêu cầu trên của CR sẽ làm cho thiết bị trở lên rất phức tạp và chi phí rất cao Chính vì vậy việc thực hiện các giải pháp phần cứng phù hợp, đáp ứng được các nhu cầu CR là một vấn đề rất quan trọng cần phải được giải quyết để có thể triển khai được các mạng vô tuyến Cognitive vào thực tế

1.3 KIẾN TRÚC MẠNG VÔ TUYẾN COGNITIVE

Ngoài việc cảm biến phổ để nâng cao hiệu suất sử dụng tần số, thiết CR trong CRN còn có thể cảm biến các hệ thống thông tin và các mạng khả dụng xung quanh

nó Chínhvì vậy mà CRN không chỉ đơn giản là một mạng để kết nối các thiết bị CR với nhau CRN bao gồm nhiều loại mạng, hệ thốngkhác nhau và có thể xem như là

một mạng không đồng nhất Tính không đồng nhất tồn tại trong các công nghệ truy cập vô tuyến, các mạng, các thiết bị đầu cuối của người sử dụng, các ứng dụng và các nhà cung cấp dịch vụ Việc thiết kế kiến trúc mạng vô tuyến Cognitive sẽ hướng tới mục tiêu là cải thiện hiệu quả sử dụng của toàn bộ mạng chứ không chỉ là nâng cao hiệu quả sử dụng phổ Về phía người sử dụng, việc sử dụng mạng có nghĩa là họ luôn luôn có thể thực hiện được các yêu cầu của mình ở mọi lúc và mọi nơi thông qua việc truy cập đến CRN Về phía nhà khai thác, họ có thể cung cấp những dịch vụ chất lượng cao cho người sử dụng và ấn định tài nguyên mạng và vô tuyến để truyền tải các gói tin của người dùng với hiệu quả sử dụng phổ cao hơn

1.3.1 Phân loại kiến trúc mạng vô tuyến Cognitive

Mạng vô tuyến Cognitive có thể được triển khai theo nhiều dạng kiến trúc khác nhau và được dùng để phục vụ nhu cầu của tất cả các ứng dụng đã được cấp phép cũng như chưa được cấp phép Các thành phần chính của một mạng vô tuyến Cognitive sẽ bao gồm: máy di động MS, trạmgốc/điểmtruycập BS/AP và mạng lõi Sự kết hợp của

ba thành phần cơ bản này sẽ tạo ra ba loại kiến trúc mạng vô tuyến Cognitive khác nhau, theo như trong [7], bao gồm: kiến trúc tập trung, kiến trúc Ad-hoc và kiến trúc hình lưới Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu đặc điểm của các loại kiến trúc mạng này

1.3.1.1 Kiến trúc tập trung

Hình 1.5 Kiến trúc mạng tập trung

Trong mạng kiến trúc tập trung (hay còn gọi là kiến trúc hạ tầng) như được thể hiện trong hình 1.5, các BS/AP cố định sẽ phục vụ những MS trong phạm vi phủ sóng của nó Các BS/AP cấu thành lên “xương sống” cho một mạng kiến trúc tập trung

Những MS nằm trong phạm vi truyền dẫn của cùng một BS/AP sẽ liên lạc với nhau thông qua BS/AP đó Việc liên lạc giữa những MS nằm trong các tế bào thuộc các BS/AP khác nhau sẽ được định tuyến thông qua mạng lõi BS/AP có thể thực hiện một hoặc nhiều giao thức truyền tin khác nhau để đáp ứng các yêu cầu từ các MS Một đầu cuối CR cũng có thể truy cập tới nhiều loại hệ thống thông tin khác nhau thông qua các BS/AP của chúng

1.3.1.2 Kiến trúc Ad-hoc

Kiến trúc Ad-hoc được thể hiện trong hình 1.6 dưới đây

Hình 1.6 Kiến trúc Ad-hoc

Ngược lại đối với kiến trúc tập trung, trong kiến trúc Ad-hoc, các MS tự mình

tổ chức mạng một cách tự động mà không cần có cơ sở hạ tầng hỗ trợ Các MS trong một phạm vi nhất định có thể tự thiết lập kết nối trực tiếp với nhau dựa trên các giao thức hoặc một chuẩn nào đó để tạo thành một mạng Ad-hoc Các kết nối giữa các node trong mạng Ad-hoc có thể được thiết lập bằng các công nghệ truyền dẫn khác nhau Hai đầu cuối CR có thể liên lạc với nhau bằng cách sử dụng các giao thức thông tin hiện tại và các hố phổ khả dụng

1.3.2 Kiến trúc mạng vô tuyến Cognitive

Kiến trúc mạng vô tuyến Cognitive được trình bày trên hình 1.8

Hình 1.8 Kiến trúc mạng vô tuyến Cognitive

Các thành phần chính trong mạng vô tuyến Cognitive có thể được chia thành 2 nhóm sau:

1.3.2.1 Mạng sơ cấp

Mạng sơ cấp PN đại diện cho các hệ thống mạng hiện tại như là các mạng tế bào, mạng truyền hình PN hoạt động trong dải tần số đã được cấp phép và có quyền

ưu tiên sử dụng cao nhất đối với dải tần số đó Các thành phần cơ bản trong PN gồm:

 Người sử dụng sơ cấp PU: Như đã đề cập trong các phần ở trên, PU là người

sử dụng được cấp phép hoạt động trong một dải phổ nhất định Các PU không

cần bất kỳ sự thay đổi hoặc phải thêm các chức năng bổ sung nào để cùng tồn tại với các trạm gốc và các người dùng có khả năng CR

 Trạm gốc sơ cấp PR-BS: là một thành phần hạ tầng mạng cố định của PN được phép hoạt động trong một dải tần số nào đó Về nguyên tắc thì trạm gốc sơ cấp không cần bổ sung thêm bất kỳ một chức năng nào để chia sẻ phổ với các người dùng CR Tuy nhiên, trạm gốc sơ cấp có thể được yêu cầu có thêm các giao thức mới để phục vụ cho việc truy cập vào mạng cơ sở của các người dùng CR

1.3.2.2 Mạng vô tuyến Cognitive CRN

CRN không có giấy phép sử dụng để hoạt động trong dải tần số mong muốn Chính vì vậy, việc truy cập vào dải tần mong muốn đó chỉ có thể được cho phép theo kiểu cơ hội Trong hình 1.8, CRN được triển khai theo cả kiểu kiến trúc tập trung (hạ tầng) và kiến trúc kiểu Ad-hoc Các thành phần của CRN gồm có:

 Người dùng CR: là người dùng không được cấp phép và đóng vai trò như một người sử dụng thứ hai (ưu tiên thấp hơn) đối với một dải tần số nhất định Do vậy, người dùng CR cần có các khả năng như đã trình bày ở các phần trước để

có thể chia sẻ dải tần số đã được cấp phép với PU

 Trạm gốc CR-BS: Trạm gốc CR là một thành phần hạ tầng mạng có các khả năng CR Trạm gốc CR cung cấp kết nối đơn chặng tới người dùng CR Thông qua kết nối này một người dùng CR có thể truy cập các mạng khác Nếu trạm gốc CR có thể sử dụng được các giao thức của các mạng sơ cấp thì nó có thể cung cấp việc truy cập dịch vụ mạng tới các PU

 Bộ chia sẻ, quản lý phổ: là thực thể một trung tâm Nó thực hiện vai trò chia sẻ tài nguyên tần số giữa các CRN khác nhau Nó được kết nối tới từng CRN và

có chức năng như một nhà quản lý thông tin phổ để cho phép sự cùng tồn tại của nhiều mạng CRN

1.4 MỘT SỐ KỊCH BẢN TRIỂN KHAI MẠNG VÔ TUYẾN COGNITIVE

1.4.1 Mạng vô tuyến Interweave Cognitive

Trong mô hình Interweave Cognitive, hệ thống thứ cấp xác định các hố phổ hay khoảng trắng trong miền thời gian, tần số hay vị trí địa lí đang không được sử dụng bởi hệ thống sơ cấp Ý tưởng này bắt nguồn từ các nghiên cứu cho thấy phần lớn phổ tần không được sử dụng trong hầu hết thời gian mà ví dụ điển hình là các khoảng trắng trong các hệ thống truyền hình

Các dịch vụ truyền hình hoạt động trong băng tần UHF và VHF đã được cấp phép, các cơ quan quản lí cấm việc sử dụng các băng tần này cho các thiết bị không được cấp phép Tuy nhiên, do lợi ích to lớn của truyền dẫn số nên việc chuyển đổi các trạm truyền hình đang sử dụng truyền dẫn tương tự là rất cần thiết Mĩ đã hoàn thành việc chuyển đổi sang truyền dẫn số DSO vào tháng 6 năm 2009, ở Anh là năm 2012… Việc chuyển đổi này đã giải phóng một lượng đáng kể phổ tần cho các dịch vụ khác.Một lợi ích quan trọng khác của DSO là cơ hội để sử dụng các băng tần truyền hình cho các thiết bị vô tuyến không được cấp phép khi PU đang không sử dụng chúng Có những vị trí địa lí phù hợp mà việc truy nhập kênh vẫn gây nhiễu liên kênh hay đồng kênh, nhưng tồn tại một số kênh có thể được sử dụng bởi các thiết bị công suất thấp mà không ảnh hưởng đến PU Các thiết bị thứ cấp WSDs đó có khả năng nhận thức màu sắc để tránh bất kì nhiễu có hại nào cho các dịch vụ đang được bảo vệ dựa trên bản đồ màu phạm vi phủ sóng Trên bản đồ này, những nơi có màu khác nhau thể hiện mức độ tín hiệu khác nhau, ở những vùng không có tín hiệu truyền hình sẽ có màu trắng – chúng được gọi là TVWS Do đó, TVWS được định nghĩa là: Khu vực địa

lí không có tín hiệu truyền hình và dải tần phát sóng có thể được sử dụng cho các mục đích thứ cấp mà không gây bất kì nhiễu nào tới việc phát sóng truyền hình ở các phần còn lại của vùng hay bất kì dịch vụ đương nhiệm nào khác

Ở châu Âu, TVWS nằm ở dải tần 470-790MHz, một dải tín hiệu chất lượng cao, tốt hơn cả các tín hiệu 3G hay Wifi mà vẫn có khả năng truyền xa và xuyên thấu Điều này hứa hẹn cho nhiều dịch vụ tiềm năng như truy nhập băng rộng không dây khoảng cách lớn ở các vùng nông thôn Khoảng cách này thay đổi theo thời gian và vị

trí địa lí và có thể được khai thác bởi những SU cho việc truyền thông của họ Do đó việc sử dụng phổ tần được cải thiện bằng cách tái sử dụng các hố phổ Kĩ thuật Interweave Cognitive yêu cầu nhận biết được hoạt động trong phổ tần của những người sử dụng sơ cấp

1.4.2 Mạng vô tuyến Underlay Cognitive

Cách tiếp cận Underlay Cognitive bao gồm các kĩ thuật thông tin vô tuyến có khả năng nhận thức dựa trên giả định rằng phần nhận thức có thể kiểm soát được nhiễu gây ra bởi máy phát của nó tới máy thu của những PU Một trong những yêu cầu cơ bản trong kịch bản triển khai này là SU không gây nhiễu đáng kể tới thông tin của người sử dụng chính hiện thời Theo mô hình vô tuyến Underlay Cognitive này, truyền dẫn cognitive và non-cognitive có thế xảy ra song song chỉ khi nhiễu tạo ra ở các thiết

bị cognitive đối với các thiết bị chính không kéo SNR ở chúng xuống dưới một ngưỡng nhất định Việc hạn chế nhiễu cho người sử dụng chính có thể được đáp ứng bằng cách sử dụng kĩ thuật đa anten để hướng các tín hiệu Cognitive ra xa các máy thu non-cognitive hoặc sử dụng băng tần rộng hơn để các tín hiệu Cognitive có thể trải phổ ở mức nhiễu nền và sau đó giải trải phổ ở phía máy thu Cognitive, công nghệ này dựa trên kĩ thuật trải phổ và truyền dẫn băng siêu rộng UWB Hình 1.9 thể hiện cách chia sẻ phổ tần của mạng Underlay Cognitive

Hình 1.9 Chia sẻ phổ tần trong mạng Underlay Cognitive

Nhiễu gây ra bởi máy phát thứ cấp tới máy thu chính có thể ước tính thông qua tương hỗ nếu máy phát thứ cấp có thể nghe được truyền đạt từ máy thu chính Ngoài

ra, máy phát thứ cấp có thể hạn chế mức công suất đầu ra để đảm bảo rằng nhiễu gây

ra ở máy thu chính vẫn dưới ngưỡng quy định Tuy nhiên, vì việc hạn chế nhiễu trong hệ thống Underlay thường khá khó khăn nên điều này là trở ngại đối với những SU truyền thông trong phạm vi ngắn Mô hình Underlay Cognitive phổ biến nhất trong phổ tần được cấp phép tuy nhiên nó cũng có thể sử dụng trong băng không được cấp phép để cung cấp các lớp dịch vụ khác nhau cho những người dùng khác nhau

1.4.3 Mạng vô tuyến Overlay Cognitive

Giả định trong mô hình này là máy phát thứ cấp đã biết về bộ mã của PU và khả năng có bản tin từ họ Thông tin bộ mã có thể thu được trong bản tin định kỳ từ PU hoặc theo một tiêu chuẩn thống nhất như sử dụng một bộ mã công khai đã biết cho truyền dẫn Có một số lựa chọn để SU bắt được một bản tin từ PU

Một cách là giải mã trực tiếp bản tin ở máy thu Cognitive Tuy nhiên phương pháp này dường như không thực tế đối với hệ thống Overlay Cognitive vì phải giả định rằng máy thu thứ cấp biết được khi nào máy phát sơ cấp bắt đầu truyền Hơn nữa, cũng phải giả định rằng người dùng Cognitive vẫn giữ bản tin mà nó bắt và giải mã được để truyền lại trong trường hợp máy thu sơ cấp không thể giải mã được bản tin do phading hoặc nhiễu

Một cách khác để có được bản tin chính ở SU là PU gửi bản tin của mình đến

SU ngay trước khi truyền nó Bản tin của PU và (hoặc) bộ mã có thể được sử dụng bằng nhiều cách khác nhau để xóa hoặc giảm thiểu nhiễu ở máy thu sơ cấp và thứ cấp Mặt khác, thông tin này có thể được sử dụng để xóa bỏ hoàn toàn nhiễu do các tín hiệu

sơ cấp gây ra ở người nhận thứ cấp bằng các kỹ thuật phức tạp như mã hóa giấy bẩn Hơn nữa, người sử dụng thứ cấp có thể sử dụng thông tin này nhằm điều chỉnh giữ một phần công suất để phục vụ truyền dẫn riêng và phần công suất còn lại để hỗ trợ (chuyển tiếp) cho các truyền dẫn sơ cấp Bằng cách chọn một tỉ số tối ưu giữa công suất truyền dẫn và chuyển tiếp ở SU, việc giảm SNR ở PU do nhiễu gây ra bởi các máy phát thứ cấp có thể được bù đắp bởi sự hỗ trợ từ các tín hiệu chuyển tiếp thứ cấp Điều này đảm bảo rằng tỉ lệ PU vẫn không thay đổi trong khi SU phân bổ một phần công suất của mình để truyền dẫn riêng Mô hình Overlay Cognitive có thể được áp dụng cho cả băng thông được cấp phép và không cấp phép Trong băng thông được

cấp phép, người dùng Cognitive sẽ được phép chia sẻ băng tần với những người sử dụng được cấp phép vì sẽ không gây nhiêu và thậm chí có thể cải thiện chất lượng truyền dẫn Trong băng không cấp phép, người dùng Cognitive sẽ cho hiệu năng phổ cao hơn bằng cách khai thác các bản tin và bộ mã để giảm nhiễu

Hình 1.10 minh họa cách chia sẻ phổ tần trong mạng Underlay và Overlay Cognitive

Hình 1.10 Chia sẻ phổ tần trong mạng Overlay và Underlay Cognitive

Tóm lại, mạng Interweave Cognitive là một hệ thống vô tuyến thông minh thực hiện quét phổ định kì để phát hiện sự chiếm dụng các phần khác nhau trong phổ tần từ

đó xác định cơ hội truyền dẫn qua các hố phổ với nhiễu nhỏ nhất cho những người dùng hiện tại Trong khi mạng Underlay và Overlay Cognitive cho phép truyền dẫn song song giữa các thiết bị Cognitive và Non-cognitive thì mục tiêu chính của mạng Interweave Cognitive là tránh truyền dẫn đồng thời với người sử dụng chính Các hệ thống Cognitive cần một lượng lớn thông tin bên lề: mạng Underlay Cognitive cần các thông tin về nhiễu gây ra bởi máy phát Cognitive cho người dùng non-cognitive, mạng Interweave yêu cầu một lượng thông tin đáng kể về hoạt động của PU, mạng Overlay Cognitive cần thông tin về bộ mã cũng như khả năng có bản tin.Ngoài ra, các giới hạn công suất của thiết bị, công suất truyền dẫn của người dùng Cognitive trong hệ thống Underlay và Overlay Cognitive được quyết định bởi giới hạn nhiễu và phạm vi của cảm biến

Trong khi Interweave, Overlay và Underlay là ba cách tiếp cận của mạng vô tuyến Cognitive thì các dự án lai cũng được xây dựng để kết hợp ưu điểm của các cách tiếp cận này

1.5 ỨNG DỤNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN COGNITIVE

Trong tương lai, CRN có thể được ứng dụng trong một số các trường hợp sau:

1.5.1 Mạng cho thuê

Mạng sơ cấp PN có thể cung cấp một mạng cho thuê bằng cách cho phép việc truy cập theo cơ hội đến dải tần được cấp phép của nó với sự thỏa thuận với một bên thứ 3 mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ của PU Ví dụ như mạng sơ cấp có thể đem cho thuê quyền truy cập dải phổ của nó với nhà khai thác mạng di động ảo MVNO Mạng sơ cấp cũng có thể cung cấp các quyền truy cập phổ của nó tới một cộng đồng địa phương với các mục đích truy cập dải rộng

1.5.2 Mạng lưới Cognitive

Các mạng không dây dạng hình lưới đang nổi bật như một công nghệ mạng đem lại lợi nhuận cao, cung cấp những kết nối dải rộng cho người dùng Tuy nhiên khi mật độ mạng tăng lên và các ứng dụng yêu cầu thông lượng ngày càng nhiều hơn thì các mạng hình lưới sẽ yêu cầu dung lượng cao hơn để đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng này Do công nghệ vô tuyến Cognitive cho phép truy cập tới khối lượng phổ lớn nên CRN có thể được sử dụng để triển khai các mạng hình lưới ởtrong các vùng

đô thị đông đúc và yêu cầu lưu lượng dịch vụ lớn

1.5.3 Mạng khẩn cấp

Các mạng khẩn cấp và đảm bảo an toàn công cộng là một lĩnh vực khác có thể ứng dụng CRN Trong trường hợp các thảm họa tự nhiên xảy ra, phá hủy tạm thời cơ

sở hạ tầng của các hệ thống thông tin hiện tại và lực lượng cứu hộ đang làm việc trong các vùng đó cần thiết lập một mạng khẩn cấp Lúc này, do mạng khẩn cấp phải xửlí các thông tin về thảm họa nên đòi hỏi việc truyền tin phải tin cậy và yêu cầu thời gian trễ phải rất nhỏ Hơn nữa, truyển tin khẩn cấp yêu cầu một lượng phổ lớn để có thể xử

lí khối lượng thông tin khổng lồ bao gồm âm thanh, hình ảnh và dữ liệu liên quan đến thảm họa Trong trường hợp này, CRN có thể được triển khai để giải quyết các vấn đề trên

1.5.4 Mạng quân sự

Một trong những ứng dụng đáng quan tâm nhất của CRN là ở trong môi trường quân sự CRN có thể cho phép các đài vô tuyến quân sự lựa băng tần số, các dạng điều chế và các kiểu mã hóa bất kỳ để thích nghi với môi trường vô tuyến thay đổi của chiến trường Hơn nữa, các mạng quân sự có nhu cầu bảo mật rất cao trước kẻ địch CRN cho phép nhân viên quân sự có thể thực hiện chuyển giao phổ một cách linh hoạt, sử dụng những dải tần an toàn nhất cho chính mình và các đồng minh

CHƯƠNG II CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

2.1 GIỚI THIỆU

Theo nghĩa rộng một kênh vô tuyến có thể được hiểu là môi trường truyền sóng

vô tuyến, bao gồm cả máy phát và máy thu, thông qua đó thông tin được phát, truyền

đi, và nhận Các đặc tính của tín hiệu vô tuyến thay đổi khi nó di chuyển từ máy phát thông qua các kênh đến máy thu Những thay đổi này chủ yếu là do các hiệu ứng kênh như sự che tối, hiệu ứng đa đường,… và do phần cứng không lí tưởng ở máy phát và máy thu, điều này dẫn đến việc suy giảm chất lượng các tín hiệu thu được Đối với một phiên truyền dẫn có lỗi xảy ra, độ lớn của những suy giảm này phải được ước tính và xóa bỏ khỏi tín hiệu thu được

Trong hệ thống thông tin vô tuyến di động, thông tin được phát đi dưới dạng

một tín hiệu kĩ thuật số được điều chế ở tần số sóng mang fc và có thể biểu diễn dưới

dạng toán học như sau:

trong đó sb (t) là hàm phức chứa thông tin điều chế Vì chỉ có biên độ và pha của tín

hiệu sóng mang được điều chế nên chúng ta có thể phân tích sb (t)mà không mất tính

tổng quát Ngoài ra, để chú trọng hơn vào suy yếu do tác động của các hiệu ứng kênh

và phần cứng không lí tưởng nên chúng ta bỏ qua biến dạng do nhiễu nền và các nhiễu khác Hiện tượng mất đường cũng được bỏ qua vì nó ít tác động trong trọng tâm của

đồ án này là đồng bộ và ước tính kênh

2.2 CÁC TÁC ĐỘNG CỦA PHẦN CỨNG KHÔNG LÝ TƯỞNG

Trong vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDRs), hầu hết việc xử lí tín hiệu được thực hiện dưới dạng số, do đó các các thiết bị vô tuyến đầu cuối tự tái cấu hình

sử dụng tối thiểu các thành phần điện tử tương tự mà vẫn phải đảm bảo xử lí tín hiệu

có dải động lớn Một thiết bị chuyển đổi trưc tiếp điển hình của loại này có thể rất

(2.1)

nhạy cảm với sai lệch hay khiếm khuyết trong thiết bị đầu cuối Những khiếm khuyết này do lỗi sản xuất, thay đổi nhiệt độ hoạt động… từ đó dẫn đến các thiết bị đầu cuối không lí tưởng như mất cân bằng pha; các bộ khuếch đại và bộ chuyển đổi (ADC và DAC) không tuyến tính; nhiễu pha và dịch tần do sai lệch ở bộ dao động nội,…Nếu các thiết bị đầu cuối không lí tưởng không được ước tính và bù, chúng có thể ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu năng của các thiết bị vô tuyến và toàn bộ các liên kết truyền dẫn

Một số trường hợp không lí tưởng do đến thiết bị đầu cuối như dưới đây:

 Các bộ DAC, ADC và bộ lấy mẫu: thông thường sự không lí tưởng ở đây là đáp ứng băng thông không lí tưởng nhưphổ răng cưa, nhiễu lượng tử, nhiễu do sự không ổn định của đồng hồ lấy mẫu, méo phi tuyến do rút ngắn (clipping) tín hiệu trong ADC, độ dịch của các mức lượng tử hóa trong ADC và DAC Sự sai khác giữa hai nhánh I và Q trong ADC và DAC gây ra mất cân bằng IQ

 Bộ trộn: thông thường không lí tưởng là các biến dạng phi tuyến như ở các sản phẩm điều chế giao thoa trong băng hay đầu ra băng điều hòa Bộ trộn cũng gây

ra sự cách ly không hoàn toàn giữa đầu vào, bộ dao động nội và đầu ra, dịch tần

DC Sự khác biệt tương đối giữa 2 nhánh I và Q trong bộ trộn cũng góp phần làm mất cân bằng IQ

 Bộ dao động nội: sự không lí tưởng ở đây thường là nhiễu pha do sự biến đổi ngẫu nhiên của pha dao động, dịch tần sóng mang (CFO), dịch pha do sự khác biệt giữa bộ dao động nội ở máy phát và máy thu

 Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA, bộ khuếch đại hệ số biến đổi VGA, bộ khuếch đại công suất ở máy phát: sự không lí tưởng thường là các hiệu ứng biến dạng phi tuyến như nhiễu trong băng, biến dạng điều hòa, biến dạng điều chế giao thoa Sự sai khác giữa các nhánh I và Q cũng dẫn đến mất cân bằng IQ

2.3 CÁC THÔNG SỐ CỦA KÊNH VÔ TUYẾN

Bên cạnh các phần cứng không lý tưởng được trình bày ở trên , truyền sóng vô tuyến di động còn bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự biến động khó lường mức năng lượng của tín hiệu thu được gây ra bởi hiên tượng truyền đa đường và che tối Truyền đa

đường là kết quả của sự phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ khi truyền tín hiệu từ điểm phát đến điểm thu Hình 2.1 là một ví dụ về truyền đa đường Ở máy thu, sự biến thiên công suất khác nhau theo thời gian tuyến tính là kết quả của sự chồng lấn các tín hiệu đa đường với pha không đồng nhất Ngoài phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ, sóng vô tuyến còn

bị suy hao đường truyền Cường độ tín hiệu cũng bị thay đổi theo thời gian do sự chuyển động của máy thu hoặc máy phát Để phân tích ta có thể chia ảnh hưởng của truyền sóng vô tuyến thành hai loại: suy hao tín hiệu phạm vi rộng và méo tín hiệu phạm vi hẹp Suy hao tín hiệu phạm vi rộng do suy hao đường truyền và sự che tối máy phát và máy thu còn méo tín hiệu phạm vi hẹp xảy ra do truyền đa đường

Gọi suy giảm và trễ ở mỗi đường lần lượt là αn (t) và τ n (t) Tín hiệu ở máy thu có

thể được mô tả như sau:

Thay tín hiệu truyền dẫn dưới dạng băng gốc phức vào (2) ta có:

Do đó, biễu diễn dạng băng gốc phức của tín hiệu thu được là:

ở đây θnlà pha của đường truyền thứ n

Từ trên ta thấy sẽ rất khó để mô tả một kênh vô tuyến một cách chặt chẽ vì nó

bị chi phối bởi một số yếu tố không thể dự đoán Vì vậy, đặc tính thống kê sử dụng các thông số kênh được trình bày ở dưới đây sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc để nghiên cứu tính chất các kênh trong hệ thống thông tin vô tuyến

2.3.1 Trễ trội – Excess Delay

Một kênh vô tuyến có thể được thể hiện đầy đủ bởi đáp ứng kênh h(τ, t) của nó tại thời điểm t cho xung trễ delta Dirac áp dụng tại thời điểm t - τ Thực tế, tín hiệu thu

(2.3)

(2.4)

(2.5) (2.2)

được thông qua nhiều đường khác nhau Trong tín hiệu số tốc độ cao, truyễn dẫn đa

đường thường gây ra pha-đinh chọn lọc tần số và nhiễu liên kí tự ISI Giả sử chỉ có N

thành phần đa đường đầu tiên có mức năng lượng đáng kể ở máy thu, đáp ứng xung kênh đặc trưng như sau:

Lý lịch trễ công suất PDP là một biến thống kê đặc trưng cho mức công suất thu

được trung bình của các thành phần kênh trong phương trình (2.6), đó là E[ ] Các

mức công suất thu được trung bình riêng lẻ được thêm vào mức công suất thu được tích lũy Tuy nhiên, trong thực tế, PDP đã được chuẩn hóa thì tổng công suất thu được

từ mỗi đường là thống nhất PDP cũng được sử dụng để mô tả trải trễ trung bình, được

đo bằng độ phân tán thời gian của kênh và có thể được coi là thời điểm trung tâm thứ hai của PDP hay còn được gọi là trải trễ trung bình quân phương RMS - độ lệch chuẩn của biến ngẫu nhiên trải trễ, được tính bằng:

ở đây Pn = E[ ], τ m là trễ trung bình và được xác định bằng:

Tham số τRMS trong phương trình (2.7) rất quan trọng trong việc đánh giá ảnh

hưởng của biến dạng đa đường trong các tín hiệu thu được Nhiễu ISI do phân tán thời

gian là không đáng kể nếu khoảng thời gian kí hiệu lớn hơn τRMS (khoảng 10 lần) Nếu

(2.6)

(2.7)

(2.8)

giá trị τRMS lớn hơn hoặc xấp xỉ với khoảng thời gian kí hiệu thì một số thủ tục phải

được thực hiện để hạn chế sự suy giảm hiệu năng có thể xảy ra ở máy thu

2.3.3 Băng thông nhất quán B c

Băng thông nhất quán Bc được đo bằng độ thay đổi trong đáp ứng tần số kênh

trên một khoảng các thành phần tần số ở một thời điểm t nào đó Nói cách khác, băng

thông nhất quán là số đo thống kê dải tần số mà trong dải này kênh cho qua tất cả các thành phần phổ với suy giảm gần như bằng nhau và pha tuyến tính Đáp ứng tần số

kênh tại một thời điểm t được xác định là biến đổi Fourier của h(τ,t) đối với τ như sau:

Tín hiệu được phát với băng thông nhỏ hơn Bc, đáp ứng tần số kênh được cho

bởi công thức (2.9) được coi là phẳng trên toàn bộ phổ tín hiệu Mặt khác, nếu băng

thông tín hiệu truyền dẫn lớn hơn Bc, phổ tín hiệu sẽ bị méo Trong trường hợp này,

kênh được gọi là chọn lọc tần số Do đó, một kênh là phẳng hay chọn lọc tần số chủ yếu phụ thuộc vào băng thông của tín hiệu truyền dẫn Thông thường, một kênh có thể được gọi là chọn lọc tần số nếu băng thông truyền dẫn của nó lớn hơn 50% băng thông nhất quán

Tồn tại mối quan hệ nghịch đảo giữa Bc và τRMS như sau:

ở đây Bc (a) là băng thông nhất quán tối thiểu mà PDP có tự tương quan với giá trị a

2.3.4 Băng thông nhất quán và tín hiệu tham chuẩn miền tần số

Ví dụ từ cấu trúc khung LTE, chúng ta biết rằng khoảng cách giữa hai sóng

mang con lân cận là fspace = 15 kHz [6] Trong miền tần số, ký hiệu hoa tiêu được đặt

tại mỗi sóng mang con thứ 6, do đó, khoảng cách giữa các hoa tiêu liên tiếp có thể được đưa ra như sau:

(2.11) (2.9)

(2.10)

Dựa vào công thức (2.10), băng thông Bc (a)trong kênh không đổi được xác định

tại a = 0,9 và trong kênh thay đổi tại a = 0,5 khi Dựa trên những giả định trên, băng

thông nhất quán đối với giá trị tự tương quan 0,5 được tính như sau:

Tương tự, đối với giá trị tự tương quan của 0,9 ta có:

Phương trình (2.12) và (2.13) cho thấy khoảng cách giữa các ký hiệu hoa tiêu trong khoảng tần số tương ứng với băng thông trong đó kênh là không đổi, hơn nữa kênh ước tính ít nhất hai lần trước khi tự tương quan có giá trị 0,5

2.3.5 Trải Doppler

Trong các môi trường truyền thông di động, sự chuyển động của máy thu, máy phát hoặc các đối tượng xung quanh dẫn đến việc mở rộng phổ của tín hiệu thu được Trong điều kiện truyền dẫn đa đường, hiệu ứng Doppler gây ra dịch tần số đối với từng sóng mang thành phần

Nếu giả định một máy thu di động đang chuyển động với tốc độ vrx m/s và sóng được truyền từ một trạm gốc ở tần số sóng mang fc Nếu góc giữa hướng chuyển động của máy thu và hướng đến của sóng được giả định là φ, dịch Doppler fd của thành phần tần số fc được định nghĩa là:

với fDmax là tần số Doppler lớn nhất và được tính bằng

v rx là vận tốc của máy thu và c là vận tốc ánh sáng

Trong các hệ thống truyền thông di động, trải Doppler lớn nhất được sử dụng để

mô tả tốc độ thay đổi của đặc tính kênh vô tuyến Khoảng thời gian mà đáp ứng xung

kênh là không đổi được gọi là thời gian nhất quan Tc, thường được tính như sau:

với Tc (a) là thời gian nhất quán giá trị tự tương quan là a trong miền thời gian

2.3.6 Thời gian nhất quán và các tín hiệu hoa tiêu miền thời gian

Dùng hệ thống LTE là một ví dụ một lần nữa để giải thích mối quan hệ giữa khoảng cách hoa tiêu các sóng mang và thời gian nhất quán Từ cấu trúc khung LTE, chúng ta biết rằng thời gian của một khe là 0,5 ms [6] Có 6 ký hiệu OFDM trong một

khe thời gian nên trong một khoảng ký hiệu, Tsym có thể được tính bằng:

ở đây Tslot là độ dài khe và Nsym là số ký hiệu cho mỗi khe Ký hiệu tham chuẩn được đặt tại mỗi ký hiệu OFDM thứ tư, nhưng được phân bố trên các sóng mang phụ khác nhau Tuy nhiên, kênh có thể được ước tính sau mỗi ký hiệu OFDM thứ ba Do

đó, khoảng cách giữa các ký hiệu tham chuẩn trong miền thời gian là:

(2.20) (2.21)

(2.22)