Tìm hiểu cảm biến phổ trong hệ thống vô tuyến nhận thức

Tìm hiểu cảm biến phổ trong hệ thống vô tuyến nhận thức

1 Nguyễn Vĩnh Kiều, lớp 09DT2

2 Trần Thị Mai Hương, lớp 09DT2

3 Nguyễn Thị Thảo, lớp 12DTLT

Khoa: Điện tử - Viễn thông

Trường: Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng

Nhóm em thực hiện đồ án chuyên ngành “Tìm hiểu cảm biến phổ trong

hệ thống vô tuyến nhận thức”

Nhóm em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước

Thông tin vô tuyến đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với những ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ và trong cuộc sống hằng ngày Các kĩ thuật không ngừng được hoàn thiện để đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng Và vấn đề đặt ra cho toàn thế giới và mỗi quốc gia đó là sự khan hiếm phổ tần số hiện có

Để tận dụng được phổ tần số của hệ thống khi được cấp phát, một công nghệ mới xuất hiện nhằm giải quyết vấn đề này, đó là vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) Xuất phát từ ý tưởng và gợi ý của cô hướng dẫn, nhóm em

đã thực hiện đề tài “Tìm hiểu cảm biến phổ trong hệ thống vô tuyến nhận thức”

Vì thời gian thực hiện và kiến thức thực tế có hạn nên nội dung đồ án này khó tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót, do đó nhóm em mong các thầy cô thông cảm và mong nhận được sự đánh giá của các thầy cô để nhóm có thể hoàn thiện vốn kiến thức của bản thân

Qua đây, nhóm xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện tử - Viễn Thông - Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã giúp đỡ, giảng dạy, cung cấp cho nhóm những kiến thức quan trọng Đặc biệt nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc tới cô giáo Trần Thị Hương, người đã hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo tận tình để nhóm hoàn thành đồ án này Cuối cùng nhóm em xin chúc các thầy cô sức khỏe và đạt được nhiều thành công trong cuộc sống

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 01 năm 2014

Nhóm sinh viên

Nguyễn Vĩnh Kiều Trần Thị Mai Hương Nguyễn Thị Thảo

1.1 Giới thiệu chương 1

1.2 Truy nhập phổ vô tuyến 2

1.3 Vấn đề khan hiếm và hiệu suất sử dụng phổ 3

1.4 Giải pháp vô tuyến nhận thức và truy cập phổ động 4

1.5 Kết luận chương 4

CHƯƠNG 2: COGNITIVE RADIO - VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 2.1 Giới thiệu chung 5

2.2 Khái niệm vô tuyến nhận thức - Cognitive Radio (CR) 5

2.3 Kiến trúc mạng 6

2.4 Hoạt động của mạng Vô tuyến nhận thức 8

2.4.1 Trên băng cấp phép 8

2.4.2 Trên băng không cấp phép 9

2.5 Kiến trúc vật lý 10

2.6 Vô tuyến định nghĩa mềm (SDR) cho hệ thống vô tuyến nhận thức 12

2.7 Mô hình vô tuyến thông minh dựa trên SDR 13

2.8 Quản lý phổ 15

2.8.1 Cảm biến và phân tích phổ tần 15

2.8.2 Chia sẻ và phân phối phổ động 16

2.9 Kết luận chương 18

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN PHỔ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 3.1 Giới thiệu chương 19

3.2 Cảm biến phổ 19

3.3 Phân loại 20

3.4 Cảm biến phổ dựa vào năng lượng 20

3.4.1 Phương pháp 20

3.6.3 Hoạt động của CSS trong kênh truyền Fading 28

3.6.4 Cảm biến phổ kết hợp nhanh ( Robust CSS ) 29

3.6.4.1 Phân tập kết hợp cho cảm biến phổ kết hợp (Cooperative Diversity) 30

3.6.4.2 Phân tập chuyển tiếp cho cảm biến phổ kết hợp (Relay Diversity) 30

3.6.4.3 Phân tập đa người dùng cho cảm biến phổ kết hợp 31

3.6.4.5 Quyết định bị thiếu cho cảm biến phổ kết hợp (Censored decision) 32

3.7 Kết luận chương 33

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CỦA VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 4.1 Giới thiệu chương 33

4.2 Lĩnh vực chính phủ 33

4.3 Quản lí và cứu hộ trong tình huống thảm họa 33

4.4 Cứu hỏa 34

4.5 Chống tội phạm 34

4.6 Điều khiển giao thông 34

4.7 Y tế 35

4.8 Môi trường 35

4.9 Quân đội 36

4.10 Kết luận chương 36

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG CẢM BIẾN NĂNG LƯỢNG 5.1 Giới thiệu chương 37

5.2 Cảm biến và quyết định sử dụng phổ 37

5.3 Phương pháp cảm biến dựa vào năng lượng 38

5.4 Kết luận chương 40

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN

THỨC

1.1 Giới thiệu chương

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 đuợc hiểu là dải tần số thì vô hạn song con người mới chỉ có thể sử dụng được khoảng

100 GHz 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 được 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 lí 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 chống 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 thống 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 tế bào… Cuối cùng, có một khối lượng nhỏ phổ tần số không cần cấp phép và bất kỳ người nào cũng có quyền sử dụng nó

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

tần khả dụng và giá trị này thay đổi cả theo thời gian và vị trí địa lí đối với từng dải tần Hình 1.1 cho thấy tình hình sử dụng tần số trong dải từ 1 GHz đến 6 GHz 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 Hiệu quả sử dụng tần số

Hệ thống vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) có thể giải quyết vấn đề này nhờ vào khả năng sử dụng phổ linh hoạt, cho phép nhiều kỹ thuật, người dùng khác nhau chia sẻ cùng một dãy tần

Hiện nay trên thế giới hệ đã sử dụng kỹ thuật cognitive xây dựng hệ thống wifi 802.22 nâng cấp băng tần chuẩn VHF và UHF vốn dành cho TV với tầm sóng xa hơn 100 km và tốc độ đạt 22 Mbps (mỗi kênh) đã được đưa vào khảo sát ở châu Âu, Canada, Mỹ và các thị trường khác

Ở Việt Nam ngày càng có nhiều các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông cũng như

các chuẩn viễn thông mới được ứng dụng thì tài nguyên phổ sẽ ngày càng hẹp dần Trong tương lai không xa, có thể công nghệ vô tuyến thông minh sẽ được ứng dụng

ở Việt Nam để có thể tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên phổ

1.2 Truy nhập phổ vô tuyến

Truy nhập phổ vô tuyến hiện nay bị giới hạn bởi các cơ quan quản lí phổ của quốc gia Phần lớn phổ dành cho các dịch vụ vô tuyến được cấp phép Truy nhập

mở đối với hầu hết phổ chỉ được cho phép với công suất truyền rất nhỏ

Trong vòng vài thập kỉ qua, nhiều chuẩn không dây, công nghệ và dịch vụ mới cho phổ không cấp phép mới đã ra đời.Trong số đó phổ biến là IEEE 802.11 WLAN, Wi-fi, và Bluetooth cho IEEE 802.15 WPANs Hệ thống ứng dụng không dây trong phổ không cấp phép này thực sự thành công về thương mại Ngày càng nhiều hệ thống vô tuyến sử dụng khoảng phổ này, chứng tỏ rằng nó có thể hữu dụng

để thay đổi cách quản lý phổ hiện tại nhằm hướng tới truy cập phổ mở và linh hoạt Giới hạn và trì hoãn của truy cập phổ đang thắt nghẽn và làm chậm lại quá trình phát triển các dịch vụ vô tuyến mới Những hệ thống này có thể cải thiện về sức khỏe, an ninh, môi trường làm việc, giáo dục, giải trí Sự phát triển đầy hứa hẹn

về số lượng thiết bị vô tuyến dựa trên các chuẩn không dây có thể bị trì hoãn bởi những giới hạn ở trên

1.3 Vấn đề khan hiếm và hiệu suất sử dụng phổ

Phổ vô tuyến là tài nguyên có hạn Cụm từ phổ vô tuyến chỉ khoảng tần số điện từ giữa 3KHz và 300GHz Hình 1.1 minh họa khoảng tần số mà thường để chỉ phổ tần số Hầu hết các hệ thống thông tin vô tuyến hiện nay yêu cầu bảo vệ chặt chẽ chống lại nhiễu từ các hệ thống vô tuyến khác Ngày nay, phổ cấp phép được đảm bảo khỏi nhiễu

Phần lớn phổ vô tuyến được cấp cho các hệ thống thông tin và dịch vụ truyền thông xác định trong Hình 1.1 Tuy nhiên, tài nguyên phổ lại bị lãng phí bởi nhiều lí

do

Thứ nhất, sự thất bại về mặt kinh tế của các dịch vụ và hệ thống vô tuyến cấp phép có thể dẫn đến phổ không sử dụng Ví dụ, WiMAX xuất hiện nhưng không thành công về thương mại, phổ WiMAX đã được xác định và được cấp phép ở nhiều nước, nhưng lại không được sử dụng trên diện rộng Phổ WiMAX vì thế đã làm lãng phí tài nguyên phổ

Thứ hai, Hệ thống vô tuyến của quân đội cũng như công an yêu cầu phổ cho

hệ thống mà chủ yếu hoạt động khi có biến cố Do vậy thêm phần lãng phí tài nguyên phổ

thống thông tin cấp phép hiện tại, ví dụ như phát sóng tivi số Do đó sẽ yêu cầu ít phổ hơn để cung cấp cùng một dịch vụ

Nói tóm lại, một phần lớn phổ đang được sử dụng không hiệu quả Hơn bao giờ hết, cần tìm ra một công nghệ giúp việc truy cập phổ một cách linh hoạt Như vậy mới có thể giải quyết vấn đề khan hiếm và lãng phí phổ hiện nay

1.4 Giải pháp vô tuyến nhận thức và truy cập phổ động

Truy cập phổ động chỉ việc sử dụng linh hoạt thay đổi phổ tần theo thời gian dưới giới hạn cho phép của cơ quan quản lí

Vô tuyến nhận thức cùng với truy nhập phổ động có thể vượt qua vấn đề mà ta

Bài toán về việc sử dụng phổ một cách hiệu quả được đặt ra đòi hỏi cần phải

có một cách thức tiếp cận việc chia sẻ phổ tần số một cách tốt hơn Từ đó chúng ta xây dựn một hệ thống mạng vô tuyến nhận thức (vô tuyến thông minh) để giải quyết vấn đề trên Một hệ thống như thế dựa trên sự linh hoạt trong việc chia sẻ phổ tần giúp tận dụng tối đa phổ tần đã được cấp phép

CHƯƠNG 2: COGNITIVE RADIO - VÔ TUYẾN NHẬN

THỨC

2.1 Giới thiệu chung

Khái niệm về “vô tuyến nhận thức” - cognitive radio được đề xuất để giải quyết các vấn đề hiệu quả phổ tần và đã được nhận được sự quan tâm ngày càng tăng trong những năm gần đây

Chương này khảo sát những tiến bộ gần đây trong nghiên cứu liên quan đến

CR Các nguyên tắc cơ bản của công nghệ vô tuyến nhận thức, kiến trúc của một mạng vô tuyến nhận thức và các ứng dụng của nó Các công trình hiện có trong cảm biến phổ được xem xét và các vấn đề quan trọng trong việc phân bổ phổ tần động

2.2 Khái niệm vô tuyến nhận thức - Cognitive Radio (CR)

Hệ thống vô tuyến thông minh là hệ thống mà các phần tử của nó có khả năng thay đổi các tham số (công suất, tần số) trên cơ sở tương tác với môi trường hoạt động Mục đích của vô tuyến thông minh là cho phép các thiết bị vô tuyến khác hoạt động trên các dải tần còn trống tạm thời mà không gây nhiễu đến các hệ thống

vô tuyến có quyền ưu tiên cao hơn hoạt động trên dải tần đó Để cho phép tận dụng tối đa tài nguyên phổ tần như trên, vô tuyến thông minh phải có những tính năng cơ bản như sau:

 Cảm biến phổ (Spectrum sensing): giám sát band tần phổ, bắt lấy những thông tin của các band tần phổ này và xác định lỗ hỏng tần số hay phổ trống

 Quản lí phổ (Spectrum management): Sau khi cảm biến phổ và quyết định được khoảng phổ nào trống, CR tiến hành việc quản lí để chọn ra khoảng phổ nào là tối ưu, đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng trong mạng thông tin như QoS (Quality of service) Chức năng này có thể chia làm 2 bước: phân tích phổ và quyết định phổ

 Sử dụng phổ linh hoạt (Spectrum mobility): CR có thể linh hoạt thay đổi tần

mà rất nhiều CR cùng hoạt động Do vậy cần phải có chức năng chia sẻ phổ giữa các CR để tránh xung đột

Hình 2.1 Sử dụng phổ linh hoạt

2.3 Kiến trúc mạng

Thành phần kiến trúc của mạng, có thể phân thành hai nhóm là mạng chính (primary network) và mạng Vô tuyến nhận thức (secondary network) Các thành phần cơ bản của hai nhóm mạng này được xác định như sau:

 Mạng chính (Primary network): Mạng chính có quyền truy nhập tới một

vài băng phổ nhất định, chẳng hạn như mạng TV quảng bá, hay mạng tổ ong nói chung Các thành phần của mạng chính bao gồm:

 Người dùng chính (Primary user): Người dùng chính (hay người dùng được cấp phép) có giấy phép để hoạt động trong một băng phổ nhất định Truy nhập này chỉ được giám sát bởi trạm gốc chính và không bị ảnh hưởng bởi những hoạt động của bất kì người dùng không được cấp phép khác Để cùng tồn tại với các trạm gốc Vô tuyến nhận thức và người dùng

Vô tuyến nhận thức, những người dùng chính này không cần bất cứ sự điều chỉnh hoặc chức năng cộng thêm nào

 Trạm gốc chính (Primary base-station): Trạm gốc chính (hay trạm gốc được cấp phép) là thành phần cơ sở hạ tầng mạng được cố định, có giấy phép phổ, như BTS hay Node B trong mạng tổ ong Về nguyên tắc, trạm gốc chính không có khả năng chia sẻ phổ với những người dùng CR Tuy

nhiên, trạm gốc chính này có thể yêu cầu để có được khả năng này Người dùng và trạm gốc mạng chính không phải là thiết bị có chức năng

CR

 Mạng vô tuyến nhận thức( Secondary network): Mạng vô tuyến nhận

thức (hay mạng Truy nhập phổ tần động, mạng thứ cấp, mạng không được cấp phép) không có giấy phép để hoạt động trong một băng mong muốn Do

đó, nó chỉ được phép truy nhập phổ khi có cơ hội Mạng Vô tuyến nhận thức

có thể hoặc không gồm mạng có cơ sở hạ tầng và mạng ad hoc, các user, các thành phần của mạng Vô tuyến nhận thức như sau:

 Người dùng Vô tuyến nhận thức: Người dùng CR(hay người dùng không được cấp phép, người dùng thứ cấp) không có giấy phép sử dụng phổ Do

đó, cần có các chức năng cộng thêm để chia sẻ băng phổ cấp phép

 Trạm gốc Vô tuyến nhận thức: Trạm gốc CR(hay trạm gốc không cấp phép, trạm gốc thứ cấp) là thành phần cơ sở hạ tầng cố định với các khả năng của Vô tuyến nhận thức Trạm gốc CR cung cấp kết nối đơn chặng tới những người dùng secondary mà không cần giấy phép truy nhập phổ Thông qua kết nối này, người dùng CR có thể truy nhập đến các mạng khác

Cả người dùng và trạm gốc CR đều là những thiết bị có chức năng vô tuyến nhận thức Nếu một vài mạng thứ cấp cùng dùng chung một băng tần thì việc sử dụng phổ tần đó đươc bố trí phối hợp bằng thiết bị trung tâm mạng

 Bộ phân chia phổ (Spectrum broker): Bộ phân chia phổ (hay server lập

lịch) là một thực thể mạng trung tâm đóng vai trò trong việc chia sẻ các tài nguyên phổ tần giữa các mạng CR khác nhau Bộ phân chia phổ có thể kết nối với từng mạng và có thể phục vụ với tư cách là người quản lí thông tin phổ, nhằm cho phép các mạng CR cùng tồn tại

Hình 2.2 Kiến trúc mạng Vô tuyến nhận thức

2.4 Hoạt động của mạng Vô tuyến nhận thức

Mạng Vô tuyến nhận thức có thể hoạt động trong cả băng cấp phép và không cấp phép, do đó, các chức năng yêu cầu cho mạng CR khác nhau tùy theo phổ đó là cấp phép hay không

Hình 2.3 Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng cấp phép

Có nhiều thách thức khác nhau để thực hiện các mạng CR trên băng cấp phép vì sự tồn tại của những người dùng chính Mặc dù, mục đích chính của mạng

CR là xác định phổ tần có sẵn tốt nhất, nhưng các chức năng của vô tuyến nhận thức trong băng cấp phép lại bao gồm phát hiện sự có mặt của các người dùng chính Dung lượng kênh của các hố phổ phụ thuộc vào nhiễu xung quanh những người dùng chính Do đó, việc tránh nhiễu cho những người dùng chính là vấn đề quan trọng nhất trong kiến trúc này Hơn nữa, nếu người dùng chính xuất hiện trong băng phổ mà những người dùng CR sử dụng thì người dùng vô tuyến nhận thức ngay lập tức phải bỏ lại phổ hiện thời và chuyển tới phổ mới sẵn có khác, gọi là chuyển giao phổ

2.4.2 Trên băng không cấp phép

Các mạng CR có thể được thiết kế để hoạt động trên các băng không câp phép

để cải thiện hiệu quả phổ trong phần phổ này Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng không cấp phép được minh họa trên Hình 2.4 Tất cả thực thể trong mạng

có quyền như nhau khi truy nhập tới các băng phổ Nhiều mạng CR cùng tồn tại trong một vùng giống nhau và sử dụng cũng một phần phổ như nhau Cần có các thuật toán chia sẻ phổ nhận thức có thể cải thiện hiệu quả sử dụng phổ và hỗ trợ QoS cao

Hình 2.4.Mạng Vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng không cấp phép

Trong kiến trúc này, những người dùng CR tập trung vào phát hiện việc truyền của những người dùng CR khác Khác với hoạt động trên băng cấp phép, việc chuyển giao phổ không bị kích thích bởi sự có mặt của những người dùng chính khác Tuy nhiên, vì tất cả những người dùng CR có quyền truy nhập phổ như nhau, nên họ phải cạnh tranh với nhau trong cùng băng không cấp phép Do đó, kiến trúc này đòi hỏi các phương pháp chia sẻ phổ phức tạp giữa những người dùng

CR Nếu nhiều mạng CR nằm trong cùng một băng không cấp phép thì phải có phương pháp chia sẻ phổ phù hợp giữa các mạng này

Trong cảm biến phổ vô tuyến thông minh, chỉ có RF trước đó là khác với một thiết bị thu chính thông thường Hình 2.6 cho thấy loại RF điển hình, có RX nằm ở đầu vào Thành phần của RX nó bao gồm cả ăng-ten, khuếch đại tín hiệu nhiễu tần

số thấp (LNA), dao động nội, và điều khiển độ lợi tự động, tất cả đều có băng thông rộng, đủ để có thể hoạt động ở tất cả các tần số mà tại đó các vô tuyến thông minh

có thể muốn hoạt động Phía trước cũng phải có khả năng để chọn kênh mà vô tuyến thông minh muốn sử dụng, bằng cách điều chỉnh dao động nội (ví dụ, bộ dao động điều khiển điện áp, VCO)

Hình 2.6 Phần đầu (RF Front- End)

RF Filter: Có tác dụng chọn lựa khoảng bang thoongmong muốn bằng cách cho tín hiệu qua bộ lọc thông dải

LNA: (Low noise anplifier): bộ khuếch đại nhiễu thấp có tác dụng: loại nhiễu tần số ảnh, khuếch đại nhiễu thấp tín hiệu nhỏ ngõ vào của máy thu tới mức cần thiết để đổi tần,tăng độ nhạy máy thu LNA thường có từ một đến ba tầng khuếch đại tuyến tính, có điều hưởng chọn lọc tần số - bang thông tín hiệu mong muốn Có tác dụng khuếch đại tín hiệu mong muốn đồng thời giảm tín hiệu nhiễu

MIXER: tại bộ đổi tần thì tín hiệu thu được sẽ được trộn với tần số gốc được phát ra và được truyền tới giải bang gốc hay tần số trung tần

VCO (voltage_controlled oscillator): được biết đến như là một bộ điều chỉnh tần số bằng điện áp Có tác dụng như bọ khóa pha giúp tần số ra ổn định

bỏ kênh kế cận.Có hai cách để chọn kênh: direct convertion receiver và superheterodyne

AGC(Automantic gain control): Là hệ thống điều chỉnh độ lợi máy thu dựa vào biên đô tín hiệu thu đồng thời mở rộng giải rộng, cho phép ta tăng hoặc giảm độ khuếch đại khi tín hiệu thu yếu hay mạnh bằng cách thay đổi điện áp phân cực

PLL (Phaxe locked loop): Là hệ thống hồi tiếp vòng kín

2.6 Vô tuyến định nghĩa mềm (SDR) cho hệ thống vô tuyến nhận thức

Đặc điểm chính của vô tuyến nhận thức là khả năng thích nghi với nơi mà các thông số vô tuyến (bao gồm tần số, công suất, điều chế, băng thông) có thể thay đổi phụ thuộc vào môi trường vô tuyến, hoàn cảnh sử dụng, điều kiện mạng, vị trí địa lí

Vô tuyến định nghĩa mềm (SDR) có thể cung cấp một số chức năng vô tuyến linh hoạt bằng các tránh sử dụng các bộ phận và mạch tương tự cố định Vì vậy vô tuyến nhận thức được thiết kế dựa trên SDR hay nói cách khác SDR là công nghệ lõi cho vô tuyến nhận thức

Theo đó, thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDR (Software Defined Radio) sẽ là một phần tử quan trọng trong hệ thống vô tuyến nhận thức Các tham

số của thiết bị SDR được thay đổi một cách linh động bằng phần mềm mà không cần phải thay đổi cấu trúc phần cứng Nó khác với những thiết bị vô tuyến trước đó

ở khả năng nhận thức (cognitive capability) và khả năng cấu hình lại (reconfigurability)

 Khả năng nhận thức (Cognitive capability): khả năng nhận thức đề cập đến khả năng của công nghệ vô tuyến có thể nắm bắt hay cảm nhận thông tin từ môi trường vô tuyến trong đó nó hoạt động Khả năng này không thể đơn giản thực hiện được bằng cách giám sát công suất một vài băng tần, mà là những công nghệ tinh vi hơn, như: học tập tự quản và quyết định hoạt động

là cần thiết để nắm bắt sự thay đổi theo thời gian và không gian trong môi trường vô tuyến và tránh nhiễu với các user khác Thông qua khả năng nhận thức này, các phần phổ chưa sử dụng ở một thời điểm và địa điểm sẽ được

xác định Do đó, phần phổ tốt nhất và các thông số thích hợp có thể được lựa chọn

 Khả năng tái cấu hình (Reconfigurability): trong khi khả năng nhận thức cung cấp khả năng nhận biết phổ của CR, thì khả năng tái cấu hình cho phép

CR lập trình động theo môi trường vô tuyến Cụ thể hơn, CR có thể được lập trình để truyền và nhận trên nhiều tần số và sử dụng các công nghệ truy cập đường truyền khác nhau được hỗ trợ bởi thiết kế phần cứng của nó

2.7 Mô hình vô tuyến thông minh dựa trên SDR

Ý tưởng về vô tuyến thông minh là một hệ thống mà trong đó các bộ chuyển đổi số-tương tự, bộ tách-ghép sóng, mạch lọc đều là phần mềm Mô hình vô tuyến thông minh điển hình trên cơ sở SDR Theo đó, các chức năng và các đặc tính cơ bản như sau :

 Khối anten dải rộng (Wideband antenna) có đặc điểm là hoạt động trên

toàn bộ băng tần vô tuyến nhận thức (dải tần này rất rộng) Để tận dụng triệt

để tài nguyên phổ tần vô tuyến còn trống một cách tức thì, anten dải rộng phải có khả năng quét tần số rất rộng sao cho có thể phát hiện được hầu hết những thay đổi của môi trường (thời gian không sự dụng của các dải tần số

đã cấp phép) Toàn bộ phổ tần khả quét được chia thành N băng nhỏ, và mỗi thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) sẽ hoạt động trên một băng tần nhỏ đó Ngoài ra, hệ thống đa anten được đề xuất để tạo búp sóng

và độ lợi phân tập nhằm tăng cường độ phân giải không gian và cải thiện hiệu quả tách sóng

 Khối duplexer được dùng để định hướng (phân bổ) tín hiệu cho các anten,

hay nói cách khác nó phân cách tín hiệu thu và tín hiệu phát

Hình 2.7 Mô hình vô tuyến thông minh điển hình trên cơ sở SDR

 Khối lựa chọn tần số động (Dynamic Frequency Selection - DFS) là một

quá trình lựa chọn tần số tự động được dùng trong vô tuyến nhận thức để tránh gây nhiễu đến các hệ thống vô tuyến khác có quyền ưu tiên cao hơn khi hoạt động ở cùng băng tần Khi hoạt động, phổ tần sẽ chỉ được lựa chọn sử dụng khi nó không bị chiếm dụng bởi thiết bị khác, và sẽ dừng chiếm dụng phổ tần này ngay khi các thiết bị vô tuyến có quyền ưu tiên cao hơn có nhu cầu sử dụng

 Khối vô tuyến đƣợc định nghĩa bằng phần mềm (Software Defined Radio - SDR) hoạt động đồng thời trong module thu Mỗi khối SDR được

điều khiển để hoạt động trong một dải tần nhất định thông qua phần mềm mà không phải thay đổi cấu trúc phần cứng Lý do của việc sử dụng nhiều module SDR song song thay vì chỉ một module SDR duy nhất là để giảm độ phức tạp của thiết bị SDR Số liệu đầu ra của các khối SDR được đưa vào cùng một khối chức năng, khối này thực hiện quyết định tối ưu (thông minh) dựa trên những thông tin từ các SDR thành phần, trong đó thực hiện lựa chọn

và kết hợp giữa các luồng thông tin sau tách sóng để tái tạo luồng thông tin cũng như các tín hiệu điều khiển các tham số phần phát

 Khối cảm biến môi trường (Incumbent Profile Detection – IPD) phát hiện

sự hiện hữu của thiết bị vô tuyến có quyền ưu tiên cao hơn dựa trên các thông tin về: sơ đồ phân bố phổ tần, thời điểm chiếm dụng phổ tần của các thiết bị vô tuyến được cấp phép, và tập tham số công suất phát

 Khối tổng hợp tần số thích ứng ở phía phát có nhiệm vụ tạo ra tần số sóng

mang tham khảo chuẩn một cách chính xác phục vụ cho quá trình điều chế cao tần và chuyển đổi băng tần Muốn vậy, cần phải khai thác thông tin từ khối cảm biến môi trường (IPD) như: sơ đồ phân bố phổ tần, thời điểm chiếm dụng phổ tần của các thiết bị vô tuyến được cấp phép, và tập tham số công suất phát Các thông số này cho phép xác định chính xác mức công suất phát nhằm đảm bảo vô tuyến thông minh không gây nhiễu đến các thiết bị vô tuyến khác

 Khối điều khiển công suất phát (Transmit Power Control - TPC) cho

phép thích ứng mức công suất phát theo sự thay đổi tần số làm việc của thiết

bị vô tuyến thông minh

 Khối cổng định thời (Timing Gate) cho phép đảm bảo rằng vô tuyến thông minh chỉ phát tín hiệu ở những tần số hiện không bị chiếm dụng

2.8 Quản lý phổ

2.8.1 Cảm biến và phân tích phổ tần

Một trong những yếu tố quan trọng của vô tuyến nhận thức đó là khả năng đo đạc, nhận biết các thông số về đặc tính kênh truyền, phổ tần có sẵn, công suất, các chính sách của môi trường vô tuyến xung quanh Vì vậy cảm biến phổ tần là một

kỹ thuật quan trọng làm nên vô tuyến nhận thức Cảm biến phổ tần có nhiệm vụ xác định tần số nào đang được sử dụng bởi các user chính, phổ tần nào đang trống Từ

đó bộ thích nghi CR thay đồi các thông số phát sao cho đạt được hiệu suất phổ cao nhất Vì vậy, việc cảm biến và phân tích phổ tần là bước quan trọng đầu tiên trong quản lý truy nhập phổ động

 Dựa vào bên phát của PU: phát hiện tín hiệu PU dựa vào tín hiệu nhận

được tại đầu thu user CR, bao gồm các phương pháp: mạch lọc, phát hiện năng lượng, dạng sóng, đặc tính

 Dựa vào bên thu của PU: cơ hội phổ xác định dựa vào những thông tin hiển

thị tại đầu thu của PU

 Cooperative detection : tín hiệu PU được xác định nhờ vào việc phối hợp

với các user khác, được thực hiện bằng cách cảm biến tập trung hoặc phân phối Cảm biến tập trung nghĩa là node trung tâm sẽ thu thập thông tin từ các thiết bị CR khác, xác định phổ rỗi và phát tán thông tin đến CR khác Ngược lại với nó là cảm biến phân phối, thông tin được chia sẻ giữa các node CR nhưng việc xác định hố phổ là do mỗi node quyết định

 Mô hình quản lý giao thoa can nhiễu: phương pháp này dùng trong các hệ

thống băng thông rộng, khi mà SU truyền dữ liệu đồng thời với PU nhưng phải đảm bào truyền ở công suất thấp hơn, tránh can nhiễu với nhau

 Ngoài ra cũng có những phương pháp khác như: dựa vào wavelet,

phương pháp multi-taper, ước lượng phổ

2.8.2 Chia sẻ và phân phối phổ động

Việc chia sẻ phổ tần giữa các hệ thống vô tuyến khác nhau thực chất là chia sẻ việc sử dụng các dải tần số giữa các mạng truy nhập vô tuyến khác nhau mà thôi Vì trong các hệ thống, tài nguyên vô tuyến chủ yếu được các mạng truy nhập sử dụng

để truyền dẫn tín hiệu từ mạng đến khách hàng Cơ chế hoạt động của phân bổ tần

số động giữa các mạng truy nhập như sau: Sử dụng các khoảng tần số liền kề để cấp phát cho các mạng truy nhập vô tuyến khác nhau Các khoảng tần số ấn định cho mỗi hệ thống được phân cách bằng một băng tần bảo vệ, việc làm này cũng giống với cơ chế phân bổ tần số cố định hiện nay Tuy nhiên, ở cơ chế phân bổ tài nguyên này bề rộng phổ gán cho mỗi một mạng truy nhập vô tuyến được thay đổi tùy theo thay đổi của yêu cầu phổ tần của từng mạng theo thời gian và không gian

Hình 2.8 Phân bổ tần số cố định và phân bổ tần số động

Cơ chế phân bổ phổ tần liền kề động này có ưu điểm là việc quản lý và phân

bổ tài nguyên phổ tần đơn giản; trong khi vẫn có được những ưu điểm như đối với phương pháp phân bổ tần cố định, như kiểm soát được nhiễu từ các mạng truy nhập

vô tuyến khác chỉ cần dùng một băng tần bảo vệ Hơn thế nữa, cơ chế này tối thiểu hóa việc hợp tác quản lý giữa hai mạng truy nhập bởi vì chúng ta chỉ cần xác định được vị trí của dải tần bảo vệ giữa hai băng tần ấn định liền kề

Tuy nhiên, do sự đơn giản trong việc quản lý phổ tần của cơ chế nên cũng có những nhược điểm như: Nếu muốn tăng bằng tần cho một mạng truy nhập vô tuyến thì băng tần của mạng truy nhập vô tuyến lân cận sẽ bị cắt giảm Do đó, nếu một mạng truy nhập vô tuyến có nhu cầu tăng lượng băng tần cấp phép sẽ không được đáp ứng nếu như mạng truy nhập vô tuyến bên cạnh không thể cắt giảm băng tần của mình được Mặc dù còn tồn tại nhược điểm như vậy nhưng phương pháp phân

bổ tài nguyên này vẫn có ý nghĩa trong việc tận dụng các băng tần trống của các hệ thống mạng truy nhập khách dựa trên quy luật dịch vụ mà không phải sử dụng các thuật toán điều khiển quá phức tạp

Hiện nay, phương pháp phân bổ tài nguyên vô tuyến động đang được tập trung nghiên cứu trong các mạng truy nhập vô tuyến là mạng di động 3G (UMTS) và hệ thống truyền hình quảng bá số mặt đất DVB-T Lựa chọn hai loại mạng truy nhập này để đưa vào nghiên cứu vì hai mạng truy nhập này có cơ chế cung cấp dịch vụ

tần chủ yếu tập trung vào giờ làm việc trong khi đó các dịch vụ truyền hình lại chủ yếu tập trung vào ngoài giờ làm việc Đặc điểm khác biệt về quy luật dịch vụ này làm cho vai trò của việc phân bổ phổ tần động ở trên trở nên cấp thiết và quan trọng hơn Hơn thế nữa, mạng 3G-UMTS và mạng truyền hình quảng bá vô tuyến số mặt đất DVB-T có chung bề rộng sóng mang (Với 3G-UMTS là 5 MHz trong khi đó DVB-T là 8 MHz) Một phân tích về qui luật sử dụng dịch vụ của hai hệ thống trên, được trình bày ở hình sau

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN PHỔ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

3.1 Giới thiệu chương

Việc cảm biến phổ là nhiệm vụ thiết yếu của mạng vô tuyến nhận thức, nó cho phép người dùng thứ 2 có thể phát hiện ra khoảng phổ trống và có cơ hội để tận dụng những khoảng tần số này mà không ảnh hưởng gì đến hệ thống trên.Vì vậy cảm biến là chìa khóa kỹ thuật trong cognitive radio Vấn đề cảm biến phổ này được trình bày cụ thể trong chương này

3.2 Cảm biến phổ

Trong hệ thống 802.22,cả BS và CPE thực hiện cảm biến kênh theo chu kì Bởi vì cảm biến kênh có thể ở trong khoảng băng hay ngoài khoảng băng nên có 2 giao diện được yêu cầu tại CPE Một anten trực tiếp thì được sử dụng để kết nối với BS, và một anten đẳng hướng thì được dùng để cảm biến phổ BS hướng dẫn CPE cảm biến băng TV, và kết quả cảm biến sẽ được gửi trở lại cho BS để xây dựng một bản đồ các phổ trống cho các tế bào mà được dùng để quản lý phổ Giao thức MAC cần được thiết kế để cung cấp các yêu cầu của quản lý phổ bao gồm thay đổi kênh truyền, sự hoãn hay khôi phục kênh, sự bao gồm hay loại trừ của nhiều kênh từ một kênh truy cập

Để phát hiện một dịch vụ TV truyền thống, hệ thống IEEE 802.22 cung cấp máy cảm biến băng tần thô và cảm biến tinh như hình:

Hình 3.1Cơ chế cảm biến thô và tinh

Để cải thiện hệ thống cho phù hợp Cảm biến nhanh ( hay gọi là cảm biến thô),