ỨNG DỤNG CỦA VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

1 Minh họa hố phổ Công nghệ vô tuyến nhận thức được thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả sửdụng phổ tần, các người dùng phụ có khả năng sử dụng phổ chia sẻ mà khônggây nhiễu tới các người dùn

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 5

1.1.Lý do ra đời của vô tuyến nhận thức 5

1.2 Khái niệm vô tuyến nhận thức 5

1.3 Chức năng 6

1.4.Đặc điểm của mạng vô tuyến nhận thức 7

1.5.Mô hình hệ thống của mạng vô tuyến nhận thức 8

CHƯƠNG 2: CÁC CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 16

2.1.Cảm biến phổ 16

2.2.Chia sẻ phổ 18

2.3 Quản lý phổ 21

2.4.Linh động phổ 23

CHƯƠNG III ỨNG DỤNG CỦA VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 26

3.1.Ứng dụng thông tin không dây nhận thức 26

3.2.Thách thức của vô tuyến nhận thức 38

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình1 1 Minh họa hố phổ 5

Hình1 2: Sử dụng phổ linh hoạt 7

Hình 1 3: Kiến trúc vật lí của vô tuyến nhận thức 9

Hình1 4: Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức 11

Hình 1 5: Minh họa sự ảnh hưởng của phạm vi truyền dẫn của người dùng chính và người dùng phụ 11

Hình 1 6: Sơ đồ khối của nút trong vô tuyến nhận thức 11

Hình 1 7: Mô hình kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức 12

Hình 1 8: Mạng Vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng tần cấp phép 14

Hình 1 9: Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng không cấp phép 15

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Chữ viết

Convertor

Chuyển đổi tương tự - số

Access

Đa truy cập phân chia theo mã

Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo tần số

mềmSNR Signal – to - Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin của conngười ngày càng tăng nhanh Trong đó, thông tin di động đang đóng một vai tròrất lớn do tính mềm dẻo và linh hoạt của nó Vì vậy, nhu cầu sử dụng hệ thốngthông tin di động cũng như chiếm dụng tài nguyên vô tuyến ngày càng cao Nhưng do đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến là tài nguyên hạn chế, chất lượngphụ thuộc nhiều vào môi trường: địa hình, thời tiết dẫn đến làm hạn chế triểnkhai đáp ứng nhu cầu của xã hội, của các nhà công nghiệp và dịch vụ viễnthông Đây chính là những thách thức cho các nhà khoa học trong ngành Chẳnghạn khi nói đến vấn đề tài nguyên vô tuyến, chúng được giải quyết bằng các giảipháp kỹ thuật, công nghệ như: FDMA, TDMA, SDMA, CDMA, sự kết hợp giữachúng đã tìm mọi cách để khai thác triệt để tài nguyên ở dạng thời gian, tần số,không gian, mã Các công nghệ thích ứng, cấp phát tài nguyên động, cơ chế điềukhiển luồng, công nghệ IP, máy thu phát thông minh, là những minh họa điểnhình cho vấn đề này

Với công nghệ vô tuyến nhận thức, các thiết bị vô tuyến được sử dụng đểcảm ứng, nhận diện và sử dụng phổ tần vô tuyến hiệu quả hơn nữa theo thờigian, không gian và tần số Theo Ed Thomas: “Nếu xét toàn bộ giải tần vô tuyến

từ 0 đến 100 GHz và quan trắc ở một thời gian và không gian cụ thể thì chỉ có từ5% đến 10% lượng phổ tần được sử dụng” Như vậy có đến 90% tài nguyên phổtần vô tuyến bị lãng phí Công nghệ vô tuyến nhận thức được xem là giải phápcho vấn đề này

Bài tiểu luận gồm ba phần chính:

Chương 1: Tổng quan về vô tuyến nhận thức

Chương 2: Các chức năng của hệ thống vô tuyến nhận thức

Chương 3: Ứng dụng của vô tuyến nhận thức

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

1.1 Lý do ra đời của vô tuyến nhận thức

Các mạng thông tin vô tuyến hiện tại đang ứng dụng nhiều công nghệ hiệnđại để tối ưu chất lượng dịch vụ cũng như khai thác một cách hiệu quả băng tầnđược cấp phép Tuy nhiên, phổ tần của các mạng vô tuyến hiện nay vẫn chưađược khai thác một cách triệt để, vẫn còn những hố phổ Ví dụ minh họa nhưhình dưới)

Hình1 1 Minh họa hố phổ

Công nghệ vô tuyến nhận thức được thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả sửdụng phổ tần, các người dùng phụ có khả năng sử dụng phổ chia sẻ mà khônggây nhiễu tới các người dùng chính được cấp phép Vô tuyến nhận thức chophép sử dụng những vùng phổ trống theo từng thời điểm, phổ này ám chỉ hốphổ hay khoảng trắng (Hình 1.1) Nếu băng phổ này được người dùng chính(người dùng cấp phép) sử dụng tiếp thì các người dùng vô tuyến nhận thứcphải chuyển đến hố phổ khác hoặc nếu vẫn ở trong cùng một băng tần thì phảithay đổi mức công suất phát hoặc sơ đồ điều chế để tránh gây nhiễu đến ngườidùng chính

1.2 Khái niệm vô tuyến nhận thức

Vô tuyến nhận thức không chỉ là một công nghệ mới, mà nó còn là một

sự thay đổi mang tính cách mạng trong việc sử dụng phổ tần vô tuyến Vôtuyến nhận thức cho phép đầu cuối có thể cảm biến, hiểu biết và sử dụng mộtcách linh hoạt phổ tần sẵn có tại một thời điểm nhất định

Trong khảo sát về vô tuyến nhận thức, Simon Haykin đã khái quát về vôtuyến nhận thức như sau:

“Cognitive radio is an intelligent wireless communication system that aware of its surrounding enviroment and use the methodology of understanding

by building to learn from the environment and adapt its internal states to statistical variations in the incoming radio frequence (RF) stimuli by making

corresponding changes in certain operating parameters (eg:transmit power, carrier frequency, modulation strategy) in real time,with two

primary objectives in mind:

- Highly reliable communications whenever and wherever needed

- Efficient utilization of the radio spectrum ”

Tức là, “Vô tuyến nhận thức là một hệ thống truyền thông vô tuyếnthông minh có khả năng nhận thức về môi trường xung quanh từ đó tự huấnluyện để thích nghi với sự thay đổi của môi trường bằng cách thay đổi cáctham số hoạt động cụ thể (ví dụ công suất phát, tần số sóng mang, phươngthức điều chế) trong thời gian thực, với hai đặc tính chính:

o Truyền thông độ tin cậy cao tại mọi thời điểm

o Sử dụng hiệu quả phổ tần số vô tuyến”

Vô tuyến nhận thức hiện nay nổi lên như một công nghệ đầy hứa hẹn để tối

đa hóa việc sử dụng băng thông vô tuyến đang ngày càng bị hạn chế trong khi sốlượng ngày càng tăng của dịch vụ và các ứng dụng trong các mạng vô tuyến.Một mạng vô tuyến nhận thức (CR) thu - phát có khả năng thích ứng với môitrường hoạt động và các thông số vô tuyến có nhiệm vụ làm tối đa hóa việc sửdụng các nguồn tài nguyên vô tuyến hạn chế trong khi cung cấp sự linh hoạttrong truy cập vô tuyến

Mục đích của mạng vô tuyến nhận thức là sử dụng hiệu quả tài nguyên baogồm tần số, thời gian và công suất truyền tải Hiệu quả trong việc sử dụng quangphổ đang đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong các hệ thống truyềnthông vô tuyến trong tương lai vì sẽ có nhiều người dùng với các dịch vụ cao.Công nghệ vô tuyến nhận thức có thể được sử dụng trong các hệ thống có mức

ưu tiên thấp hơn để cải thiện hiệu quả quang phổ bằng cách cảm nhận môitrường phổ và sau đó phát hiện các khoảng phổ còn trống để cấp phép sử dụng.Tần số không sử dụng có thể được coi như một hố phổ tần số mà từ đó có thểđược giao cho người sử dụng phụ (SU) Sự liên kết trong việc sử dụng phổ vôtuyến là một trường hợp đặc biệt của mạng vô tuyến nhận thức Ngoài ra, kỹthuật Vô tuyến nhận thức có thể được sử dụng trong mạng lưới được cấp phép

để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần

1.3 Chức năng

Vô tuyến nhận thức có 4 chức năng chính:

- Cảm biến phổ (Spectrum sensing): Phần chức năng này sẽ được trình bày

rõ hơn ở chương 2 của tài liệu này

- 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 phổnào 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 số đang sử dụng để chuyển qua một tần số sẵn có khác mà có thể cải thiệnđược chất lượng của mạng thông tin nhằm đạt được chất lượng tốt nhất có thể

- Chia sẻ phổ (Spectrum Sharing): Trong một mạng thông tin không chỉ có 1

mà rất nhiều CR cùng hoạt động Do vậy cần phải có chức năng chia sẻ phổ giữacác CR để có thể cùng sử dụng dải băng tần một cách công bằng, hợp lí tránhđụng độ nhau

Hình1 2: Sử dụng phổ linh hoạt

1.4 Đặc điểm của mạng vô tuyến nhận thức

Dựa vào một số phân tích ở trên ta nhận thấy mạng Vô tuyến nhận thức

có các đặc điểm cơ bản như sau:

Khả năng nhận thức: Khả năng nhận thức là khả năng mà công nghệ

vô tuyến nắm bắt hoặc cảm biến được các thông tin từ môi trường vô tuyến.Khả năng này không chỉ đơn giản là thực hiện giám sát công suất trong một sốbăng tần số quan tâm mà còn yêu cầu nhiều công nghệ phức tạp để nắm bắt sựbiến đổi của môi trường vô tuyến theo không gian và theo thời gian, nhằmtránh gây nhiễu ảnh hưởng tới những người dùng chính Thông qua khả năngnày, các phần phổ không sử dụng tại một thời điểm hoặc vị trí nhất định có thểđược xác định Từ đó, nó có thể lựa chọn được phổ tốt nhất với các thông sốhoạt động phù hợp nhất để sử dụng

Tính tự cấu hình: Tính tự cấu hình cho phép mạng vô tuyến có khả

năng lập trình tự động theo sự thay đổi của môi trường vô tuyến Đặc biệt, Vôtuyến nhận thức có thể được lập trình để truyền và nhận thông tin trên các tần sốkhác nhau và để sử dụng các công nghệ truy cập truyền dẫn khác nhau đượcphần cứng hỗ trợ Một số thông số tự cấu hình cần chú ý là: Tần số hoạt động,điều chế, công suất phát, công nghệ truyền

Mục tiêu cơ bản của vô tuyến nhận thức là tận dụng được phổ tần có sẵntốt nhất thông qua khả nhận thức và tính tự cấu hình Vì hầu hết phổ tần đã

được cấp phép, nên thách thức quan trọng nhất là sử dụng chia sẻ phổ tầnđược cấp phép mà không gây nhiễu tới quá trình truyền dẫn của những ngườidùng chính được cấp phép khác

1.5 Mô hình hệ thống của mạng vô tuyến nhận thức

 Cấu trúc vật lí của mạng Vô tuyến nhận thức

Kiến trúc tổng quan của bộ thu phát vô tuyến nhận thức được chỉ ra trênHình 1.3 Thành phần chính của bộ thu phát vô tuyến nhận thức là đầu cuối

RF (RF front-end) và khối xử lí băng gốc Mỗi thành phần có thể tự cấu hìnhthông qua một bus điều khiển để thích ứng với môi trường RF biến đổi theo thờigian Trong đầu cuối RF, tín hiệu thu được khuếch đại, trộn và chuyển đổi A/D.Trong khối xử lí băng gốc, tín hiệu được điều chế/giải điều chế, được mãhóa/giải mã Khối xử lí băng gốc của vô tuyến nhận thức về bản chất cũngtương tự như bộ thu phát đang tồn tại Tuy nhiên, điểm mới ở vô tuyến nhậnthức nằm ở đầu cuối RF Vì vậy, ta sẽ tập trung vào đầu cuối RF của Vô tuyếnnhận thức

Điểm mới của bộ thu phát vô tuyến nhận thức là khả năng cảm nhậnbăng rộng của đầu cuối RF Chức năng này liên quan tới các công nghệ phầncứng RF như anten băng rộng, khuếch đại công suất, và bộ lọc thích ứng.Phần cứng RF cho vô tuyến nhận thức có khả năng điều chỉnh tới bất kì phầnnào của dải phổ tần rộng lớn Cảm nhận phổ cũng cho phép việc đo lường trongthời gian thực các thông tin phổ từ môi trường vô tuyến

Hình 1 3: Kiến trúc vật lí của vô tuyến nhận thức

(a) Bộ thu phát của vô tuyến nhận thức;

(b) Mô hình đầu cuối RF/tương tự băng rộng.

Nói chung, mô hình đầu cuối băng rộng cho vô tuyến nhận thức có thểmiêu tả như trên Hình 1.3 (b)

Đầu cuối RF của Vô tuyến nhận thức bao gồm các thành phần sau:

* Bộ lọc RF: Bộ lọc RF lựa chọn băng tần mong muốn bằng cách lọc

thông dải tín hiệu RF nhận được

* Bộ khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA): Khuếch đại tín hiệu mong muốn

trong khi đồng thời giảm thiểu các thành phần tạp âm

* Bộ trộn: Tại bộ trộn, tín hiệu nhận được được trộn với tần số RF nội,

và được chuyển đổi thành tần số băng gốc hoặc tần số trung tần (IF)

* Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO): VCO tạo ra tín hiệu tại

một tần số nhất định với điện áp cho trước để trộn với tín hiệu tới Quá trìnhnày chuyển đổi tín hiệu tới thành tần số băng gốc hoặc tần số trung tần

* Vòng khóa pha (PLL): PLL đảm bảo rằng tín hiệu được khóa ở một

tần số nhất định và có thể được sử dụng để tạo ra các tần số chính xác

* Bộ lọc lựa chọn kênh: Bộ lọc lựa chọn kênh được sử dụng để lựa

chọn kênh mong muốn và loại bỏ các kênh lân cận Có hai loại bộ lọc lựa chọn

kênh “Máy thu chuyển đổi trực tiếp” sử dụng bộ lọc thông thấp để lựa chọn kênh, còn “máy thu superheterodyne” lại sử dụng bộ lọc thông dải.

* Điều khiển độ lợi tự động (AGC): AGC duy trì độ lợi hoặc mức công

suất đầu ra của bộ khuếch đại không đổi qua một dải rộng các mức tín hiệuđầu vào

Trong kiến trúc này, tín hiệu băng rộng được nhận thông qua đầu cuối RF,được lấy mẫu bởi bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) tốc độ cao, và việc đođạc được thực hiện để phát hiện ra tín hiệu của người dùng chính Tuy nhiên, ởđây còn tồn tại nhiều hạn chế trong việc phát triển đầu cuối của Vô tuyến nhậnthức

Anten RF băng rộng nhận các tín hiệu từ các máy phát khác nhau hoạtđộng tại các mức công suất, các băng thông và các vị trí khác nhau Kết quả

là, đầu cuối RF phải có khả năng phát hiện tín hiệu yếu trong một dải tần sốđộng lớn Tuy nhiên, khả năng này đòi hỏi phải có bộ chuyển đổi ADC tốc độvài GHz với độ phân giải cao, mà điều này thì rất khó thực hiện

Trước khi thực hiện chuyển đổi, bộ chuyển đổi ADC tốc độ vài GHz cầnphải giảm bớt dải động của tín hiệu Điều này có thể đạt được bằng cách lọccác tín hiệu mạnh Vì các tín hiệu mạnh có thể nằm ở bất cứ đâu trong dải phổrộng lớn, nên cần phải có các bộ lọc Một cách khác nữa là sử dụng nhiều

anten sao cho việc lọc tín hiệu được thực hiện trong miền không gian hơn làtrong miền tần số Nhiều anten có thể nhận tín hiệu một cách chọn lọc bằngcách sử dụng các công nghệ điều khiển búp sóng.

Thách thức chủ yếu trong kiến trúc vật lí của Vô tuyến nhận thức là pháthiện chính xác các tín hiệu yếu của những người dùng chính qua một dải phổtần rộng Do vậy, việc thực hiện đầu cuối RF băng rộng và bộ chuyển đổiADC là vấn đề hàng đầu trong các mạng vô tuyến nhận thức

 Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức

Trong mô hình hệ thống Vô tuyến nhận thức người dùng chính không cầnquan tâm về các thiết bị mạng, và không cần phải sửa đổi hệ thống mạng hiện

có, đây được cho là một điều kiện tiên quyết cơ bản một hệ thống vô tuyến nhậnthức Điều quan trọng là những người dùng chính kế thừa các thiết bị của mạngsẵn có vẫn có thể hoạt động theo cách thông thường ngay cả khi áp dụng cho hệthống mạng vô tuyến nhận thức Một giải pháp để cung cấp tốc độ dữ liệu caohơn ở khoảng cách ngắn là UWB nhưng quyền hạn truyền tải đòi hỏi phải caohơn và UWB trải tín hiệu trên một dải tần số rộng Vì vậy, trong hệ thống vôtuyến nhận thức những người dùng phụ sẽ tạm dừng hoạt động khi một ngườidùng chính truyền dữ liệu vì vậy công nghệ UWB (siêu băng rộng) không được

sử dụng trong mạng Vô tuyến nhận thức

Các nghiên cứu về mô hình hệ thống của vô tuyến nhận thức được trìnhbày trong hình 1.4 Mô hình hệ thống Vô tuyến nhận thức bao gồm người sửdụng chính, người sử dụng phụ và trạm trung gian được chọn là nút đóng vai tròphối hợp phổ trong mạng Các kích thước của hệ thống, những thông số và vị trícủa người sử dụng là chỉ minh họa Khi mạng lưới bắt đầu hoạt động, tín hiệuđầu tiên được vào nút và nó vẫn tiếp tục hoạt động cho đến khi mạng ngắt kếtnối Một ví dụ cho các hệ thống vô tuyến nhận thức được giới thiệu trong hình1.5, nơi vị trí của người dùng chính và người dùng phụ được chọn ngẫu nhiêntrong khu vực phân phối sử dụng mạng thống nhất Màu xám trong hình mô tảcác khu vực nơi SU và PU có sự ảnh hưởng lẫn nhau Đây cũng là khu vực mà

nó có thể cho SU phát hiện sự hiện diện của PU thông qua cảm biến

Hình1 4: Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức

có sự kiểm soát thông tin từ các nút

Hình 1 6: Sơ đồ khối của nút trong vô tuyến nhận thức

Các nút hoạt động bằng cách gửi một tín hiệu đến một kênh điều khiểnchung để thông báo cho các nút khác có khả năng tham gia mạng Vai trò củanút khác với điểm truy cập thông thường bởi vì nó có khả năng nhận thức đượcthông tin hiện tại và truyền thông tin liên lạc giữa các nút là giống như việc thunhận thông tin liên lạc trong mạng ngan hàng (P2P) Các thông tin phổ cảm biếntại vị trí của các nút sẽ được gửi tới một kênh điều khiển chung, kết hợp trongnút và sau đó phát sóng đến thiết bị đầu cuối CR trong mạng Về bản chất, giaotiếp giữa hai thiết bị đầu cuối CR có thể được chia thành các bước sau:

- Cảm biến phổ tại mỗi nút và truyền tải các thông tin cảm biến đến kênhđiều khiển chung.

- Kết hợp các thông tin cảm biến trong các nút và truyền các thông tin kếthợp này tới tất cả các thiết bị đầu cuối trong CR và cho phép các nút sẵn sàng đểgiao tiếp

- Bắt đầu từ việc truyền tải giữa hai thiết bị đầu cuối, ví dụ như chuỗi huấnluyện đầu tiên và sau đó ước lượng kênh ở chế độ theo dõi và truyền dữ liệuthực tế

- Cảm biến phổ định kỳ được thực hiện trong khoảng thời gian ∆t giây; nếu

quá trình truyền dữ liệu bị gián đoạn trong quá trình cảm biến thì trở lại điểm 1

 Mô hình tổng thể của mạng Vô tuyến nhận thức

Mạng vô tuyến hiện nay đang tồn tại sử dụng hỗn hợp nhiều chuẩn phổ vàcông nghệ truyền thông khác nhau Hơn nữa, có một số phần phổ vô tuyến đãđược cấp phép cho các mục đích khác nhau nhưng vân còn một số băng tần vẫnchưa được cấp phép

Hình 1 7: Mô hình kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức

Các thành phần kiến trúc của mạng vô tuyến nhận thức, như hình 1.7, cóthể phân thành hai nhóm là mạng chính và mạng phụ Các thành phần cơ bảncủa hai nhóm mạng này được xác định như sau:

* Mạng chính: 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 Cácthành phần của mạng chính bao gồm:

- Người dùng chính: 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 đượcgiám sát bởi trạm gốc chính và không bị ảnh hưởng bởi những hoạt động củabất 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 dùngchính này không cần bất cứ sự điều chỉnh hoặc chức năng cộng thêm nào

- Trạm gốc chính: 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 trongmạng tổ ong Về nguyên tắc, trạm gốc chính không có khả năng chia sẻ phổ vớinhững người dùng Vô tuyến nhận thức Tuy nhiên, trạm gốc chính này có thểyêu cầu để có được khả năng này

* Mạng phụ: Mạng phụ (mạng truy nhập phổ tần động, mạng thứ cấp,

mạng không được cấp phép) không có giấy phép để hoạt động trong một băngmong muốn Do đó, nó chỉ đư

- Người dùng phụ: Người dùng không được cấp phép, không có giấy phép

sử dụng phổ Do đó, cần có các chức năng cộng thêm để chia sẻ băng phổ cấpphép

- Trạm gôc phụ: Trạm gốc phụ (hay trạm gốc xG, trạm gốc không cấp

phép, trạm gốc thứ cấp) là thành phần cơ sở hạ tầng cố định Trạm gốc phụcung cấp kết nối đơn chặng tới những người dùng p h ụ mà không cần giấyphép truy nhập phổ Thông qua kết nối này, người dùng p h ụ có thể truy nhậpđến các mạng khác

- Bộ phân chia phổ: Bộ phân chia phổ (hay server lập lịch) là một bộ

phận mạng trung tâm đóng vai trò trong việc chia sẻ các tài nguyên phổ tầngiữa các người dùng phụ Bộ phân chia phổ có thể kết nối với từng mạng và

có thể phục vụ với tư cách là bộ phận quản lí thông tin phổ, nhằm cho phép cácmạng phụ cùng tồn tại

Mạng Vô tuyến nhận thức bao gồm nhiều loại mạng khác nhau: mạngchính, mạng phụ dựa trên cơ sở hạ tầng, và mạng ad hoc Mạng Vô tuyến nhậnthức hoạt động dưới môi trường phổ hỗn hợp, bao gồm cả các băng cấp phép

và không cấp phép Do đó, trong mạng Vô tuyến nhận thức, có ba loại truynhập khác nhau, đó là:

Truy cập mạng chính: Người dùng chính truy nhập trên băng tần được cấp

phép

Truy cập mạng phụ (xG network access): Người dùng phụ có thể truy

nhập tới chính trạm gốc của mạng chính ở cả băng cấp phép và không cấp phép

Truy cập mạng vô tuyến nhận thức ad hoc (xG ad hoc access): Người dùng

Vô tuyến nhận thức có thể truyền thông tin với những người dùng Vô tuyếnnhận thức khác thông qua kết nối ad hoc ở cả băng cấp phép và không cấp phép

 Hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức

Trong mạng vô tuyến nhận thức mạng phụ có thể hoạt động trong cả băngcấp phép và không cấp phép Do đó, các chức năng yêu cầu cho mạng phụkhác nhau tùy theo phổ đó là cấp phép hay không

 Trên băng tần được cấp phép

Như đã chỉ ra trên Hình 1.1, ta thấy có những hố phổ không sử dụng trongbăng phổ được cấp phép Do đó, sử dụng mạng phụ để khai thác và sử dụng các

hố phổ này thông qua các công nghệ thông minh Kiến trúc này được miêu tảtrong Hình 1.4 trong đó các mạng phụ cùng tồn tại với các mạng chính tại cùngmột vị trí và trên cùng một băng phổ

Hình 1 8: Mạng Vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng tần cấp phép

Có nhiều thách thức khác nhau để các mạng phụ hoạt động trên băng cấpphép song song với sự tồn tại của những người dùng chính Mặc dù, mục đíchchính của mạng vô tuyến nhận thức là xác định phổ tần có sẵn tốt nhất, nhưngcác chức năng của Vô tuyến nhận thức trong băng t ầ n cấp phép lại bao gồmphát hiện sự có mặt của các người dùng chính Dung lượng kênh của các hốphổ phụ thuộc vào nhiễu xung quanh những người dùng chính Do đó, việctránh nhiễu cho những người dùng chính là vấn đề quan trọng nhất trong kiếntrúc này Hơn nữa, nếu người dùng chính xuất hiện trong băng phổ bị nhữngngười dùng phụ chiếm, thì người dùng phụ ngay lập tức phải bỏ lại phổ hiệnthời và chuyển tới phổ mới sẵn có khác, gọi là chuyển giao phổ

 Trên băng tần không được cấp phép

Các mạng phụ có thể được thiết kế để hoạt động trên các băng không cấpphép để cải thiện hiệu quả sử dụng phổ trong phần phổ này Mạng phụ hoạtđộng trên băng không cấp phép được minh họa trên Hình 1.5 Tất cả các ngườidùng phụ trong mạng có quyền như nhau khi truy nhập tới các băng phổ Nhiềumạng phụ cùng tồn tại trong một vùng giống nhau và truyền thông sử dụngcũng một phần phổ như nhau Các thuật toán chia sẻ phổ thông minh có thể cảithiện hiệu quả sử dụng phổ và hỗ trợ QoS cao

Hình 1 9: Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng không cấp phép

Trong kiến trúc này, những người dùng phụ tập trung vào phát hiện việctruyền của những người dùng phụ khác Khác với hoạt động trên băng cấpphép, việc chuyển giao phổ không bị kích thích bởi sự có mặt của những ngườidùng chính khác Tuy nhiên, vì tất cả những người dùng phụ có quyền truynhập phổ như nhau, nên họ phải cạnh tranh với nhau trong cùng băngkhông cấp phép Do đó, kiến trúc này đòi hỏi các phương pháp chia sẻ phổphức tạp giữa những người dùng trong mạng phụ Nếu nhiều mạng phụ nằmtrong cùng một băng không cấp phép thì phải có phương pháp chia sẻ phổphù hợp giữa các mạng này

CHƯƠNG 2: CÁC CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN NHẬN

THỨC 2.1 Cảm biến phổ

Một trong những yêu cầu chính của mạng Vô tuyến nhận thức là khả năng quétcác dải quang phổ và xác định các kênh truyền còn trống có sẵn để sử dụng Vôtuyến nhận thức giám sát các băng phổ sẵn có, nắm bắt các thông tin của chúng

và sau đó phát hiện ra các hố phổ

Như đã được đề cập, vô tuyến nhận thức được thiết kế để có thể hiểu biết

và nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường xung quanh Chức năng cảm biếnphổ cho phép vô tuyến nhận thức thích ứng với môi trường xung quanh bởiviệc phát hiện các hố phổ

Cách hiệu quả nhất để phát hiện các hố phổ là phát hiện các người dùngchính đang truyền nhận dữ liệu trong vùng hoạt động của nó Tuy nhiên, trênthực tế rất khó cho một mạng vô tuyến nhận thức để có thể đo trực tiếp cácthông số kênh đang sử dụng giữa máy phát và máy thu của người dùng chính

Do vậy, phương pháp khả thi đầu tiên là tập trung vào việc phát hiện máyphát chính dựa trên các quan sát cục bộ của các người dùng vô tuyến nhậnthức

Nói chung, các kỹ thuật cảm biến phổ có thể được phân loại thành: cảmbiến phát hiện máy phát, cảm biến theo cơ chế hớp tác và cảm biến phát hiệndựa trên nhiễu đã được chỉ ra trên hình

Hình 2 1: Phân loại các kỹ thuật cảm biến phổ

2.1.1 Cảm biến phát hiện máy phát (phát hiện không hợp tác)

Vô tuyến nhận thức phải phân biệt giữa các băng tần chưa sử dụng vàcác băng tần đã được sử dụng Bởi vậy, vô tuyến nhận thức cần có khả năngxác định xem tín hiệu từ máy phát người dùng chính có đang tồn tại trong mộtbăng tần cụ thể hay không Phương pháp phát hiện máy phát là dựa trên việcphát hiện tín hiệu từ một máy phát chính thông qua các quan sát cục bộ của cácngười dùng vô tuyến thông minh

2.1.2 Cảm biến dựa trên bộ lọc kết hợp

Khi đã biết được thông tin tín hiệu người dùng chính, thì phương pháp phát

hiện tốt nhất trong môi trường nhiễu Gauss không đổi là bộ lọc kết hợp vì nócho tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tối đa Trong khi ưu điểm chính của bộ lọckết hợp là yêu cầu ít thời gian để đạt được độ lợi xử lý cao, thì nó đòi hỏi phảibiết trước thông tin về tín hiệu người dùng chính chẳng hạn như phương thứcđiều chế, dạng xung, và khuôn dạng gói Bởi vậy, nếu các thông tin nàykhông chính xác thì bộ lọc kết hợp tỏ ra không hiệu quả.

2.1.3 Cảm biến dựa mức năng lượng của tín hiệu thu

Nếu máy thu không thể có được đủ thông tin hữu ích về tín hiệu ngườidùng chính, chẳng hạn nếu máy thu chỉ biết được công suất của nhiễu Gaussngẫu nhiên, thì cách phát hiện tốt nhất trong trường hợp này là phát hiện dựatrên mức năng lượng Để đo năng lượng của tín hiệu đã nhận được, tín hiệuđầu ra của bộ lọc thông dải với băng thông W được bình phương và tích phânqua khoảng thời gian quan sát T Cuối cùng, đầu ra của bộ kết hợp được sosánh với một ngưỡng để quyết định xem có người dùng chính hay không

Hiệu quả của việc phát hiện mức năng lượng dễ bị ảnh hưởng bởi sự thayđổi của công suất nhiễu Để giải quyết vấn đề này, một kênh hoa tiêu từ máyphát chính được sử dụng để cải thiện độ chính xác của bộ phát hiện dựa trênnăng lượng Một thiếu sót nữa là bộ cảm biến chỉ dựa trên mức năng lượng thìkhông thể phân biệt các loại tín hiệu mà chỉ có thể xác định sự có mặt củachúng Cảm biến dựa trên đặc tính dừng

Một phương pháp phát hiện khác là phát hiện dựa trên đặc tính dừng.Các tín hiệu đã điều chế thông thường được kết hợp với các sóng mang hìnhsin, các chuỗi xung, trải phổ lặp, nhảy tần, hoặc các tiền tố vòng Những tínhiệu đã điều chế này được mô tả như có tính dừng vì trung bình và tự tươngquan của chúng tuần hoàn theo chu kỳ Những đặc tính này được phát hiệnnhờ phân tích hàm tương quan phổ Ưu điểm chính của hàm tương quan phổ là

nó phân biệt năng lượng nhiễu với năng lượng tín hiệu đã điều chế Bởi vậy bộphát hiện đặc tính vòng tĩnh có thể hoạt động tốt hơn bộ phát hiện năng lượng

vì nó có thể tách được nhiễu ra tốt hơn bộ phát hiện dựa trên năng lượng Tuynhiên, nó yêu cầu tính toán phức tạp và thời gian quan sát sẽ dài hơn đáng kể

2.1.4 Cảm biến theo cơ chế hợp tác

Phát hiện theo cơ chế hợp tác là phương pháp cảm nhận phổ tần mà thôngtin từ nhiều người dùng vô tuyến nhận thức được liên kết lại để phát hiệnngười dùng chính Phát hiện hợp tác có thể được thực hiện theo cả phương ántập trung hay phân tán Trong phương án tập trung, trạm gốc đóng vai trò để thuthập toàn bộ thông tin từ các người dùng vô tuyến thông minh và phát hiệncác hố phổ Còn theo phương án phân tán, nó yêu cầu trao đổi các thông tinquan sát giữa các người dùng trong mạng với nhau

Phương pháp này cung cấp hiệu năng cảm biến chính xác hơn, tuy nhiên nó

tạo ra các ảnh hưởng bất lợi trong các mạng hạn chế tài nguyên do các hoạtđộng bổ xung và các lưu lượng đầu.

2.1.5 Cảm biến dựa trên nhiễu

Gần đây một mô hình đo nhiễu mới đã được FCC giới thiệu, gọi làphương pháp nhiễu nhiệt được chỉ ra trên hình 1.4

Hình 2 2: Mô hình nhiễu nhiệt

Mô hình này chỉ ra tín hiệu của một trạm vô tuyến được thiết kế để hoạtđộng trong một dải mà tại đó công suất thu gần với mức nhiễu nền Khi xuấthiện tín hiệu gồm cả nhiễu thì nhiễu nền tăng lên tại các điểm khác nhau trongvùng dịch vụ, như chỉ ra bởi các đỉnh phía trên của nhiễu nền ban đầu Trong

mô hình nhiễu nhiệt các thuê bao vô tuyến nhận thức được coi là các thuê bao

có quyền ưu tiên hơn, các thuê bao khác và can nhiễu chỉ như là một nguồnnhiễu Nguồn nhiễu đó sẽ giới hạn dung lượng của hệ thống trên từng băng tần

cụ thể từ đó hệ thống vô tuyến nhận thức sẽ quyết định truyền hay không

Tuy nhiên vẫn có một số giới hạn trong việc đo đạc nhiễu Phương phápnày xem xét các nhân tố như phương pháp điều chế tín hiệu không cấpphép, các anten, khả năng phát hiện các kênh cấp phép tích cực, điều khiểncông suất và mức độ hoạt động của các người dùng chính và người dùng vôtuyến nhận thức Tuy nhiên mô hình này không xem xét ảnh hưởng của nhiềungười dùng Hơn nữa, nếu người dùng không có thông tin về vị trí người dùngchính thì nhiễu không thể đo đạc được bằng phương pháp này

2.2 Chia sẻ phổ

Trong mạng vô tuyến nhận thức, một trong những thách thức chính khi

sử dụng phổ tần mở là việc chia sẻ phổ tần Không giống như cảm biến phổliên quan chính tới lớp vật lý, hay quản lý phổ liên quan tới các dịch vụ lớpcao hơn, các chức năng chia sẻ phổ tương tự với các công nghệ phân bổ tàinguyên và đa truy nhập đa người dùng trong lớp MAC của các hệ thống truyền

thông đang tồn tại Vấn đề chính trong việc chia sẻ phổ là sự cùng tồn tại củacác người dùng vô tuyến nhận thức và các người dùng chính và quản lý cácbăng thông không liên tục có sẵn.

Dựa trên các tiêu chuẩn khác nhau, các kỹ thuật chia sẻ phổ có thể đượcphân loại theo nhiều cách khác nhau

2.2.1 Theo cấu trúc mạng:

Có thể phân thành chia sẻ phổ tập trung và không tập trung (phân tán), chia

sẻ phổ tập trung nghĩa là toàn bộ các nút trong mạng gửi thông tin cảm biếnphổ của chúng tới đơn vị điều khiển trung tâm, sau đó đơn vị điều khiểntrung tâm sẽ thiết lập lược đồ phân bổ phổ, trong khi đó chia sẻ phổ phân tánnghĩa là toàn bộ các nút tự quyết định truy nhập phổ theo cách riêng

2.2.2 Theo cách thức cấp phát phổ tần:

Có thể phân loại thành chia sẻ phổ hợp tác và không hợp tác Trong chia

sẻ phổ hợp tác tại mỗi nút chia sẻ kết quả cảm biến phổ của nó với các nútkhác, sau đó thuật toán phân bố phổ sẽ quyết định dựa trên các thông tin này,ngược lại chia sẻ phổ không hợp tác có nghĩa là các nút tự nó quyết định chia sẻphổ mà không cần các thông tin về cảm biến phổ

2.2.3 Theo công nghệ truy cập:

Có thể phân thành chia sẻ phổ Overlay và chia sẻ phổ Underlay:

Hình 2 3: Chia sẻ phổ tần dựa trên các công nghệ truy nhập

 Mô hình chia sẻ phổ Overlay (chia sẻ phổ chồng lấn):

Trong phương pháp chia sẻ phổ tần chồng lấn, máy thu phát Vô tuyếnthông minh sẽ chỉ có thể truy cập vào phần phổ tần được cấp phép khi người sửdụng được cấp phép không sử dụng phần phổ tần đó Có nghĩa là người dùng vôtuyến nhận thức truy nhập mạng thông qua hố phổ không được sử dụng, thực tếthì là ghép kênh phân chia theo thời gian giữa các người dùng vô tuyến nhậnthức và người dùng chính Do đó nhiễu tới người dùng chính là nhỏ nhất

Phương pháp chia sẻ chồng lấn được thể hiện như Hình 2.3

Hình 2 4: Chia sẻ phổ tần chồng lấn

 Mô hình chia sẻ phổ Uderlay (chia sẻ phổ chìm xuống):

Người sử dụng mạng Vô tuyến nhận thức sẽ sử dụng các công nghệ trải phổnhư CDMA (đa truy nhập phân chia theo mã) hoặc UWB (siêu di động băngrộng) để chia sẻ băng tần với người sử dụng được cấp phép Việc sử dụng cáccông nghệ trải phổ sẽ giúp cho người sử dụng Vô tuyến nhận thức có thể dùngtràn lên băng tần của người sử dụng được cấp phép bất kể người sử dụng đượccấp phép có sử dụng phổ tần đó hay không Trong trường hợp này thì ngườidùng cấp phép sẽ coi các người dùng phụ như là nhiễu Một vấn đề đặt ra trongphương pháp này là người sử dụng Vô tuyến thông minh phải kiểm soát đượccông suất phát của mình để tránh gây nhiễu lên người sử dụng được cấp phép.Công nghệ chia sẻ phổ tần chìm thường được áp dụng đối với các mạng tổ ong

và được minh họa như Hình 3.3

Hình 2 5: Chia sẻ phổ tần chìm dưới