NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của các kỹ THUẬT ĐỊNH TUYẾN lên HOẠT ĐỘNG của hệ THỐNG vô TUYẾN NHẬN THỨC đa CHẶNG

NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của các kỹ THUẬT ĐỊNH TUYẾN lên HOẠT ĐỘNG của hệ THỐNG vô TUYẾN NHẬN THỨC đa CHẶNG ......................... NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của các kỹ THUẬT ĐỊNH TUYẾN lên HOẠT ĐỘNG của hệ THỐNG vô TUYẾN NHẬN THỨC đa CHẶNG ......................... NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của các kỹ THUẬT ĐỊNH TUYẾN lên HOẠT ĐỘNG của hệ THỐNG vô TUYẾN NHẬN THỨC đa CHẶNG ......................... NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của các kỹ THUẬT ĐỊNH TUYẾN lên HOẠT ĐỘNG của hệ THỐNG vô TUYẾN NHẬN THỨC đa CHẶNG ......................... NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của các kỹ THUẬT ĐỊNH TUYẾN lên HOẠT ĐỘNG của hệ THỐNG vô TUYẾN NHẬN THỨC đa CHẶNG .........................

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC

KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN LÊN HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN

NHẬN THỨC ĐA CHẶNG

DANH MỤC BẢNG BIỂU IX DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT X LỜI NÓI ĐẦU XI

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 1

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1.1 Khái niệm vô tuyến nhận thức 1

1.1.2 Điều kiện ra đời vô tuyến nhận thức 2

1.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG CỦA VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 3

1.2.1 Mô hình tổng thể của vô tuyến nhận thức 3

1.2.2 Mô hình nút của vô tuyến nhận thức 5

1.3 CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 7

1.3.1 Cấu trúc của vô tuyến nhận thức 7

1.3.2 Hoạt động của vô tuyến nhận thức 9

1.4 CHỨC NĂNG CỦA CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 11

1.4.1 Cảm biến phổ 11

1.4.2 Quản lý phổ 12

1.4.3 Linh động phổ 14

1.4.4 Chia sẻ phổ 15

1.5 LỢI ÍCH CỦA VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 17

1.5.1 Lĩnh vực cá nhân 17

1.5.2 Lĩnh vực chính phủ (công cộng: bảo vệ, an ninh, an toàn, và tình huống thảm họa)…… 19

1.6 KẾT LUẬN 22

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN ĐA CHẶNG 23

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 23

2.1.1 Khái niệm vô tuyến đa chặng 23

2.1.2 Đặc trưng cơ bản của vô tuyến đa chặng 24

2.4.1 Ưu điểm của vô tuyến đa chặng 28

2.4.2 Nhước điểm của vô tuyến đa chặng 30

2.5 KẾT LUẬN 31

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP TRONG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC ĐA CHẶNG…… 32

3.1 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 32

3.1.1 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward) 33

3.1.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward) 34

3.2 CÁC MÔ HÌNH CỦA KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 35

3.2.1 Chuyển tiếp trong mô hình NAKAGAMI-m 35

3.2.2 Chuyển tiếp trong mô hình RAYLEIGH 36

3.3 KẾT LUẬN 37

CHƯƠNG 4 KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN TRONG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC ĐA CHẶNG…… 38

4.1 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN 38

4.2 KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN DỰA TRÊN TRỄ 39

4.2.1 Kỹ thuật DORP 39

4.2.2 Kỹ thuật đàn kiến 41

4.3 KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN DỰA TRÊN VỊ TRÍ 43

4.3.1 Kỹ thuật SEARCH 43

4.3.2 Kỹ thuật LAUNCH 46

4.4 KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN DỰA TRÊN ĐỘ ỔN ĐỊNH KẾT NỐI 47

4.4.1 Kỹ thuật STOD-RP 47

4.5 KẾT LUẬN 51

CHƯƠNG 5 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN LÊN HOẠT ĐỘNG CỦA VÔ TUYẾN NHẬN THỨC ĐA CHẶNG 52

5.1 CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC ĐA CHẶNG 52

5.2.1 Kỹ thuật DORP 56

5.2.2 Kỹ thuật đàn kiến 61

5.3 KẾT LUẬN 65

KẾT LUẬN… 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

HÌNH 1-2: MÔ HÌNH TỔNG THỂ CỦA VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 3

HÌNH 1-3: MÔ HÌNH NÚT TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 5

HÌNH 1-4: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA NÚT TRONG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 6

HÌNH 1-5: CẤU TRÚC CỦA VÔ TUYẾN NHẬN THỨC: A) BỘ THU PHÁT CỦA VÔ TUYẾN NHẬN THỨC, B) MÔ HÌNH ĐẦU CUỐI RF 7

HÌNH 1-6: MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HOẠT ĐỘNG TRÊN BĂNG TẦN CẤP PHÉP 10

HÌNH 1-7: MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HOẠT ĐỘNG TRÊN BĂNG TẦN KHÔNG CẤP PHÉP 11

HÌNH 1-8: QUÁ TRÌNH LINH ĐỘNG PHỔ 14

HÌNH 1-9: CHIA SẺ PHỔ OVERLAY 16

HÌNH 1-10: CHIA SẺ PHỔ UNDERLAY 17

HÌNH 1-11: ỨNG DỤNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC TRONG THÓI QUEN NGƯỜI DÙNG 19

HÌNH 2-1: VÔ TUYẾN ĐA CHẶNG 23

HÌNH 2-2: SƠ ĐỒ KHỐI MÔ TẢ CÔNG SUẤT TIÊU THỤ CỦA NÚT TRUNG GIAN 24

HÌNH 2-3: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA NÚT CHUYỂN TIẾP TRONG PHA ĐẦU TIÊN 25

HÌNH 2-4: MÔ HÌNH MẠNG VÔ TUYẾN ĐA CHẶNG 25

HÌNH 2-5: MÔ HÌNH HAI CHẶNG TRONG MẠNG VÔ TUYẾN ĐA CHẶNG 26

HÌNH 2-6: CẤU TRÚC MẠNG THỨ NHẤT TRONG VÔ TUYẾN ĐA CHẶNG 27

HÌNH 2-7: CẤU TRÚC MẠNG THỨ HAI TRONG VÔ TUYẾN ĐA CHẶNG 28

NÚT CHUYỂN TIẾP 30

HÌNH 3-1: MINH HỌA KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 32

HÌNH 3-2: ƯU ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 33

HÌNH 3-3: KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP 34

HÌNH 3-4: KỸ THUẬT GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP 34

HÌNH 3-5: MÔ HÌNH HAI CHẶNG NAKAGAMI-M 35

HÌNH 3-6: MÔ HÌNH ĐA CHẶNG RAYLEIGH 37

HÌNH 4-1: MÔ HÌNH NAM 40

HÌNH 4-2: SỰ KHÁC BIỆT GIỮA PHÂN LOẠI THEO LUỒNG VÀ PHÂN LOẠI THEO TẦN SỐ 40

HÌNH 4-3: CHUYỂN TIẾP ĐỊA LÝ GREEDY 45

HÌNH 4-4: GIAI ĐOẠN TRÁNH PU 46

HÌNH 4-5: KHUNG STOD-RP 49

HÌNH 4-6: VÍ DỤ CỦA CÂY PHỔ 49

HÌNH 4-7: VÍ DỤ CỦA CÂY PHỔ CÓ NÚT CHỒNG CHÉO NHAU 50

HÌNH 4-8: HAI CÂY PHỔ VỚI CHỈ MỘT NÚT CHỒNG CHÉO NHAU 51

HÌNH 5-1: MÔ HÌNH MẠNG TỪ NÚT S ĐẾN NÚT D 58

HÌNH 5-2: QUAN HỆ GIỮA D BACKOFF VÀ P C 59

HÌNH 5-3: QUAN HỆ GIỮA D NODE VÀ D BACKOFF 59

HÌNH 5-4: QUAN HỆ GIỮA DN M VÀ D NODE 60

HÌNH 5-5: QUAN HỆ GIỮA D ROUTE,M VÀ D NODE 61

HÌNH 5-6: KẾT QUẢ DELAY GIỮA KỸ THUẬT ĐÀN KIẾN VÀ AODV .63

BẢNG 5-1: BẢNG THAM SỐ HIỆU SUẤT CỦA NODE LEVEL 53 BẢNG 5-2: BẢNG THAM SỐ HIỆU SUẤT CỦA NETWORK LEVEL 55

LNA Low Noise Amplifier

IFA Intermedate Frequency Amplifier

OP Outage Probability

PSTN Public Switched Telephone Network

DORP Delay Motivated On-demand Routing Protocol

FC Frequency Based Classifier

PC Packet Classifier

FS Frequency Based Scheduler

PS Packet Scheduler

NAM Node Analytical Model

AODV Ad-hoc On-demand Distance Vector Routing

FCC Federal Communication Commission

SEARCH Spectrum Aware Routing Protocol For Cognitive Ad-hocNetworksRREQ Route Request

RRED Route Reply

CCC Common Control Channel

SOP Spectrum Opportunities

CRAHN Cognitive Radio Ad-hoc Network

STOD-RP Spectrum-Tree Based OnDemand Routing Protocol

LAUNCH Location Aided Routing Protocol for Cognitive Radio Networks

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Khái niệm vô tuyến nhận thức

Công nghệ vô tuyến nhận thức CR (Cognitive Radio) là một công nghệ thông minh,

có khả năng nhận thức, được lập trình và cấu hình tự động [1] Vô tuyến nhận thức

có thể cảm biến, hiểu biết và sử dụng phổ tần sẵn có một cách linh hoạt Công nghệnày chứa đầy hứa hẹn sẽ đem lại hiệu quả trong việc tối đa hóa việc sử dụng băngthông vô tuyến đang càng ngày bị hạn chế, khi mà số lượng nhu cầu và các ứngdụng trong mạng vô tuyến ngày càng tăng lên Như vậy, vô tuyến nhận thức khôngchỉ là một công nghệ mới, mà nó còn là một sự thay đổi mang tính cách mạngtrong việc sử dụng phổ tần vô tuyến

Một mạng vô tuyến nhận thức có khả năng thích ứng với môi trường hoạt động vàcác thông số vô tuyến có nhiệm vụ làm tối đa hóa việc sử dụng các nguồn tàinguyên vô tuyến hạn chế trong khi cung cấp sự linh hoạt trong truy cập vô tuyến Mục đích của mạng vô tuyến nhận thức là sử dụng hiệu quả quang phổ đang đóngmột vài trò ngày càng quan trọng trong các hệ thống vô tuyến, vì trong tương lai sẽcàng có nhiều người dùng hơn và họ dùng với các dịch vụ cao hơn Công nghệ vôtuyến nhận thức có thể được sử dụng trong các hệ thống có mức ưu tiên thấp hơn đểcải thiện hiệu quả quang phổ bằng cách cảm nhận môi trường phổ và sau đó pháthiện các khoảng phổ còn trống để cấp phép sử dụng Tần số không sử dụng có thểđược coi như một hố phổ tần số mà từ đó có thể được giao cho người sử dụng thứcấp SU (Secondary User) Ngoài ra, công nghệ vô tuyến nhận thức có thể được sửdụng trong mạng lưới được cấp phép để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần

Để có thể tận dụng tối đa tài nguyên phổ tần như trong các phân tích đề cập ở trên,

vô tuyến nhận thức phải có những tính năng cơ bản như là: điều chỉnh tần số hoạtđộng của hệ thống một cách linh hoạt từ một băng tần này đến một băng tần còntrống khác trên dải tần cho phép; thiết lập mạng thông tin và hoạt động trên mộtphần hoặc toàn bộ băng tần được cấp phát; chia sẻ kênh tần số và điều khiển côngsuất thích ứng theo điều kiện cụ thể của môi trường vô tuyến, mà ở đó tồn tại nhiều

loại hình dịch vụ vô tuyến cùng chiếm dụng; thực hiện thích ứng độ rộng băng tần,tốc độ truyền tốt nhất có thể; và tạo búp sóng và điều khiển búp sóng thích ứng theođối tượng truyền thông nhằm giảm thiểu nhiễu đồng kênh.

1.1.2 Điều kiện ra đời vô tuyến nhận thức

Theo thống kê cho thấy đến cuối năm 2016, dân số 2/3 thế giới đã đăng ký mạngđiện thoại di động Có gần 4,8 tỷ thuê bao, cho thấy số lượng người dùng và nhucầu sử dụng các dịch cao ngày càng tăng mà tài nguyên phổ tần thì lại có giới hạn[2] Mặc dù các mạng vô tuyến hiện tại đang áp dụng nhiều công nghệ hiện đại đểtối ưu chất lượng dịch vụ cũng như khai thác một cách hiệu quả băng tần được cấpphép Tuy nhiên, phổ tần của các mạng vô tuyến hiện nay vẫn chưa được khai thácmột cách triệt để, vẫn còn những hố phổ được mô tả như trong Hình 1-1

Do vậy, để giải quyết được vấn đề này người ta đã tìm ra được một công nghệ cóthể làm được điều đó Công nghệ này là vô tuyến nhận thức, công nghệ được thiết

kế nhằm mục đích như đã được nếu ở phần khái niệm trên, nhằm nâng cao hiệu quả

sử dụng phổ tần Như trong Hình 1-1, vô tuyến nhận thức cho phép sử dụng nhữngvùng phổ trống (hố phổ) theo từng thời điểm

Hình 1-1: Minh họa hố phổ [1]

1.2 Mô hình hệ thống của vô tuyến nhận thức

1.1.3 Mô hình tổng thể của vô tuyến nhận thức

Mạng vô tuyến hiện nay đang tồn tại sử dụng hỗn hợp nhiều chuẩn phổ và côngnghệ truyền thông khác nhau Hơn nữa, có một số phần phổ vô tuyến đã được cấpphép cho các mục đích khác nhau nhưng vẫn còn một số băng tần vẫn chưa được cấpphép Như trong Hình 1-2, các mạng phụ có thể cùng tồn tại với các mạng chính ở

trên cùng một băng phổ cấp phép Do trong mạng vô tuyến các phổ tần vẫn còn chưađược khai thác triệt để, còn có những hố phổ được miêu tả như trong Hình 1-1 khôngđược sử dụng trong băng phổ được cấp phép Vì vậy, sử dụng thêm các mạng phụ đểkhai thác và sử dụng các hố phổ này Trong các mạng chính, trạm gốc chính (haycòn gọi là trạm được cấp phép) chỉ cho phép những người dùng chính (người dùngđược cấp phép) truy cập Còn những người dùng phụ (người dùng không được cấpphép) muốn truy nhập thì chỉ có thể trung gian qua các nút sẽ được trình bày ở Phần1.2.2 hoặc có thể thông qua các trạm gốc phụ (hay còn gọi là trạm không được cấpphép) nhờ bộ phân chia phổ thì có thể truy nhập được.

Hình 1-2: Mô hình tổng thể của vô tuyến nhận thức [1]

Các thành phần kiến trúc của mạng vô tuyến nhận thức được mô tả trong Hình 1-2

có thể phân thành hai nhóm là mạng chính và mạng phụ Các thành phần cơ bảntrong hai nhóm này được liệt kê ở phần tiếp theo

Mạng chính: mạng chính có quyền truy nhập tới một vài băng phổ nhất định, các

thành phần của mạng chính gồm: người dùng chính, trạm gốc chính

Người dùng chính: người dùng chính (hay người dùng được cấp phép) có giấy

phép 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 ngườidùng không được cấp phép khác.

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 trạm BTS trong mạng tổ ong Vềnguyên tắc, trạm gốc chính không có khả năng chia sẻ phổ với những người dùng

Vô tuyến nhận thức Tuy nhiên, trạm gốc chính này có thể yêu cầu để có được khảnăng này

Mạng phụ: mạng phụ (hay mạng thứ cấp, mạng không được cấp phép) không có

giấy phép để hoạt động trong một băng mong muốn

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 cấp phép

Trạm gốc phụ: trạm gốc phụ (hay trạm gốc không được cấp phép, trạm thứ cấp) là

thành phần cơ sở hạ tầng cố định Trạm gốc phụ cung cấp kết nối đơn chặng tớinhững người dụng phụ mà không cần giấy phép truy nhập phổ Thông qua kết nốinày, người dụng phụ có thể truy nhập đến các mạng khác

Bộ phân chia phổ: bộ phận chia phổ là một bộ phận mạng trung tâm đóng vai trò

trong việc chia sẻ các tài nguyên phổ tần giữa các người dùng phụ Bộ phân chiaphổ có thể kết nối với từng mạng phụ và có thể phục vụ với tư cách là bộ phận quản

lý thông tin phổ, nhằm cho phép các mạng phụ cùng tồn tại.Mạng Vô tuyến nhậnthức bao gồm nhiều loại mạng khác nhau: mạng chính, mạng phụ dựa trên cơ sở

hạ tầng, và mạng ad hoc Mạng Vô tuyến nhận thức hoạt động dưới môi trườngphổ hỗn hợp, bao gồm cả các băng cấp phép và không cấp phép Do đó, trongmạng Vô tuyến nhận thức, có ba loại truy nhập khác nhau, đó là:

Truy cập mạng chính: Người dùng chính truy nhập trên băng tần được cấp phép Truy cập mạng phụ: 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: Người dùng Vô tuyến nhận thức có

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

1.1.4 Mô hình nút của vô tuyến nhận thức

Nút là một thiết bị điểm được ghép nối lại, cùng nhiều thiết bị khác tạo nên mộtmạng lưới truyền thông Các nút này có thể là máy tính, các máy thiết bị kỹ thuật,các điện thoại di động hoặc những thiết bị mạng khác như là các bộ định tuyến(routers), các thiết bị chuyển mạch (switches) Trong Hình 1-3, mô hình nút trongmạng vô tuyến nhận thức bao gồm người sử dụng chính, người sử dụng phụ và mộttrạm trung gian được chọn là nút đóng vai trò phối hợp phổ trong mạng Nét đứttượng trưng là không nhận tín hiệu trực tiếp, nét liền tương trưng là nhận tín hiệutrực tiếp Khi mạng lưới bắt đầu hoạt động, nút sẽ được nhận tín hiệu từ người dùngchính (PU) Sau đó nút sẽ gửi một tín hiệu đến kênh điều khiển chung được kết hợptrong nút để thông báo cho các nút khác (SU) có khả năng tham gia mạng và sẽ hoạtđộng liên tục đến khi mạng bị ngắt Vai trò của nút khác với điểm truy cập thôngthường là nó có khả năng nhận thức được thông tin hiện tại và truyền thông tin liênlạc giữa các nút

Hình 1-3: Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức [1]

Trong mạng vô tuyến nhận thức người dùng chính không cần quan tâm về các thiết

bị mạng và không cần phải sửa đổi hệ thống mạng hiện có, đây có thể là một điềutiện lợi trong hệ thống vô tuyến nhận thức Điều quan trọng là những người dùngchính kế thừa các thiết bị của mạng sẵn có vẫn có thể hoạt động theo cách thôngthường ngay cả khi áp dụng cho hệ thống mạng vô tuyến nhận thức

Sơ đồ khối của nút trong mạng vô tuyến nhận thức được trình bày trong Hình 1-4

Hình 1-4: Sơ đồ khối của nút trong vô tuyến nhận thức [1]

Trong hình 1-4, nhiệm vụ của nút trong vô tuyến nhận thức gồm cảm biến phổ ởngười dùng khác, sau đó truyền tải thông tin cảm biến thông qua các liên kết thôngtin phản hồi và điều khiển kênh, điều khiển công suất và tần số ở máy phát dựa trênthông tin được phản hồi từ người nhận và có sự kiểm soát thông tin từ các nút Cácthông tin phổ được cảm biến tại vị trí của các nút sẽ được gửi tới kênh điều khiểnchung, và sẽ phát sóng đến thiết bị đầu cuối trong mạng vô tuyến nhận thức Ví dụnhư người A đăng ký sử dụng mạng 3G, lúc này người A đóng vai trò như là PU.Sau đó, người dùng A chia sẻ cho máy tính của người B cùng sử dụng chung mạng3G, người dùng B đang đóng vai trò là nút và là SU Nếu lúc này người dùng C xuấthiện muốn tham gia sử dụng mạng 3G thì người dùng B sẽ tiếp nhận thông tin củangười dùng C, gửi đến kệnh điều khiển chung và sẽ phát sóng đến thiết bị củangười dùng C Về bản chất, giao tiếp giữa các nút có thể được chia thành các bướcsau:

– Cảm biến phổ tại mỗi nút và truyền tải thông tin cảm biến đến kênh chung.– Kết hợp các thông tin cảm biến trong các nút và truyền các thông tin kết hợpnày tới tất cả các nút khác và cho phép các nút sẵn sàng giao tiếp với nhau.– Bắt đầu việc truyền tải giữa các nút

1.3 Cấu trúc và hoạt động của vô tuyến nhận thức

1.1.5 Cấu trúc của vô tuyến nhận thức

Hình 1-5: Cấu trúc của vô tuyến nhận thức: a) Bộ thu phát của vô tuyến nhận thức, b) Mô hình đầu cuối RF [1]

Kiến trúc tổng quan của bộ thu phát vô tuyến nhận thức được chỉ ra ở Hình 1-5a.Thành phần chính của bộ thu phát vô tuyến nhận thức là đầu cuối RF và khối xử lýbăng gốc Mỗi thành phần có thể tự cấu hình thông qua một bus điều khiển đểthích ứng với môi trường RF biến đổi theo thời gian Trong đầu cuối RF, tín hiệuthu được khuếch đại, trộn và chuyển đổi A/D Trong khối xử lí băng gốc, tín hiệuđược điều chế/giải điều chế, được mã hóa/giải mã Khối xử lí băng gốc của vô tuyếnnhận thức về bản chất cũng tương tự như bộ thu phát đang tồn tại Tuy nhiên, điểmmới ở vô tuyến nhận thức nằm ở đầu cuối RF Vì vậy, ta sẽ tập trung vào đầu cuối

RF của Vô tuyến nhận thức

Điểm mới của bộ thu phát vô tuyến nhận thức là khả năng cảm nhận băng rộngcủa đầu cuối RF Chức năng này liên quan tới các công nghệ phần cứng RF nhưanten 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 phần nào của dải phổ tần rộnglớn Cảm nhận phổ cũng cho phép việc đo lường trong thời gian thực các thông tinphổ từ môi trường vô tuyến.

Trong mô hình đầu cuối RF của vô tuyến nhận thức được mô tả ở Hình 1-5b baogồm có những thành phần được trình bày ở dưới đây

Bộ lọc RF: bộ lọc RF lựa chọn băng tần mong muốn bằng cách lọc thông dải tín

Bộ dao động điều khiển bằng điện áp: tạo ra tín hiệu tại một tần số nhất định với

điện áp cho trước để trộn với tín hiệu tới Quá trình này chuyển đổi tín hiệu tớithành tần số băng gốc

Vòng khóa pha: 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

Điều khiển độ lợi tự động: duy trì độ lợi hoặc mức công suất đầu ra của bộ

khuếch đại không đổi

Trong kiến trúc này, tín hiệu băng rộng được nhận thông qua thiết bị đầu cuối RF,được lấy mẫu bởi bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) tốc độ cao, và việc đo đạcđược thực hiện để phát hiện ra tín hiệu của người dùng chính

Anten RF nhận các tín hiệu từ các máy phát khác nhau hoạt động tại các mức côngsuất, các băng thông và các vị trí khác nhau Vì vậy, đầu cuồi RF có khả năng pháthiện ra tín hiệu yếu trong một dải tần số rộng lớn Tuy nhiên, muốn thực hiện đượcđiều này đòi hỏi bộ chuyển đổi ADC có tốc độ vài GHz với độ phân giải cao

Trước khi thực hiện chuyển đổi, bộ chuyển đổi ADC tốc độ vài GHz cần phảigiảm bớt dải động của tín hiệu Điều này có thể đạt được bằng cách lọc các tín

hiệu mạnh Vì các tín hiệu mạnh có thể nằm ở bất cứ đâu trong dải phổ rộng lớn,nên cần phải có các bộ lọc Thách thức chủ yếu trong kiến trúc vật lí của Vô tuyếnnhận thức là phát hiện chính xác các tín hiệu yếu của những người dùng chính quamột dải phổ tần rộng Do vậy, việc thực hiện đầu cuối RF băng rộng và bộ chuyểnđổi ADC là vấn đề hàng đầu trong các mạng vô tuyến nhận thức.

1.1.6 Hoạt động của vô tuyến nhận thức

Trong mạng vô tuyến nhận thức, mạng phụ có thể hoạt động trong cả băng tần đượccấp phép và không được cấp phép Do đó, các chức năng yêu cầu cho mạng phụ sẽkhác nhau tùy theo phổ đó được cấp phép hay không

Trên băng tần cấp phép được trình bày trong Hình 1-6 Như đã được trình bày ởPhần 1.2.1 Mô hình tổng thể của vô tuyến nhận thức, ta đã biết trong mạng vô tuyếncác phổ tần vẫn còn chưa được khai thác triết để, còn có những hố phổ không sửdụng trong băng phổ được cấp phép Do đó, sử dụng mạng phụ để khai thác và sửdụng các hố phổ này thông qua các công nghệ thông minh Các mạng phụ này cóthể tồn tại với các mạng chính tại cùng một vị trí và trên cùng một băng phổ Mặc

dù, mục đích chính của mạng vô tuyến nhận thức là khai thác triệt để tài nguyêntrong phổ tần sẵn có tốt nhất Nhưng có nhiều thử thách khác nhau để các mạng phụhoạt động trên băng cấp phép song song với sự tồn tại của những người dùng chính,cũng như việc tránh nhiễu cho những người dùng chính cũng là vấn đề quan trọngnhất trong kiến trúc này Hơn nữa, nếu người dùng chính xuất hiện trong băng phổ

mà đang bị người dùng phụ chiếm, thì người dùng phụ ngay lập tức phải bỏ lại phổhiện tại và chuyển tới phổ mới sẵn có khác

Hình 1-6: Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng tần cấp phép [1]

Trên băng tần không cấp phép được trình bày trong Hình 1-7 Các mạng phụ có thểđược thiết kế để hoạt động trên các băng không cấp phép để cải thiện hiệu quả sửdụng phổ trong phần phổ này Tất cả các người dùng phụ trong mạng có quyềnnhư nhau khi truy nhập tới các băng phổ Nhiều mạng phụ cùng tồn tại trong mộtvùng giống nhau và truyền thông sử dụng cũng một phần phổ như nhau

Trong kiến trúc này, những người dùng phụ tập trung vào phát hiện việc truyềncủa những người dùng phụ khác Khác với hoạt động trên băng cấp phép,việcchuyển giao không bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của những người dùng chínhkhác Tuy nhiên, vì tất cả những người dùng phụ có quyền truy nhập phổ nhưnhau, 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 ngườidùng trong mạng phụ Nếu nhiều mạng phụ nằm trong cùng một băng không cấpphép thì phải có phương pháp chia sẻ phổ phù hợp giữa các mạng này

Hình 1-7: Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng tần không cấp phép [1]

1.4 Chức năng của công nghệ vô tuyến nhận thức

Để công nghệ vô tuyến nhận thức có thể phát hiện những khoảng trống phổ và tậndụng chúng, thì công nghệ vô tuyến nhận thức có những chức năng gồm cảm biếnphổ, quản lý phổ, linh động phổ và chia sẻ phổ

1.1.7 Cảm biến phổ

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

phát hiện ra các hố phổ Chức năng cảm biến phổ cho phép vô tuyến nhận thứcthích ứng với môi trường xung quanh bởi việc phát hiện các hố phổ

Cách hiệu quả nhất để phát hiện các hố phổ là phát hiện các người dùng chínhđang truyền nhận dữ liệu trong vùng hoạt động của nó Tuy nhiên, trên thực tế rấtkhó cho một mạng vô tuyến nhận thức để có thể đo trực tiếp các thông số kênhđang sử dụng giữa máy phát và máy thu của người dùng chính Do vậy, phươngpháp khả thi đầu tiên là tập trung vào việc phát hiện máy phát chính dựa trên cácquan sát cục bộ của các người dùng vô tuyến nhận thức Các kỹ thuật cảm biếnphổ có thể được phân loại thành: cảm biến phát hiện máy phát, cảm biến dựa trên

bộ lọc kết hợp và cảm biến theo cơ chế hớp tác

1.1.1.1 Cảm biến phát hiện máy phát

Cảm biến phát hiện máy phát là vô tuyến nhận thức phải phân biệt được băng tầnnào chưa sử dụng và băng tần nào đã được sử dụng Vì vậy, vô tuyến nhận thức cần

có khả năng xác định xem tín hiệu từ máy phát người dùng chính có đang tồn tạitrong một băng tần cụ thể hay không Phương pháp phát hiện máy phát là dựa trênviệc phát hiện tín hiệu từ một máy phát chính thông qua các quan sát cục bộ củacác người dùng vô tuyến

1.1.1.2 Cảm biến dựa trên bộ lọc kết hợp

Cảm biến dựa trên bộ lọc kết hợp là khi đã biết được thông tin tín hiệu của người

dùng chính, thì phương pháp tiếp theo có thể phát hiện tốt trong môi trường nhiễuGauss không đổi là bộ lọc kết hợp, vì nó cho tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tối đa

Ưu điểm chính của bộ lọc kết hợp là cần ít thời gian để đạt được độ lợi xử lý cao,muốn được vậy thì nó đòi hỏi phải biết trước được thông tin về tín hiệu của ngườidùng chính Bởi vậy, nếu các thông tin này không chính xác thì bộ lọc kết hợp

tỏ ra không hiệu quả

1.1.1.3 Cảm biến theo cơ chế hợp tác

Cảm biến theo cơ chế hợp tác là phương pháp cảm nhận phổ tần, mà các thông tin từnhiều người dùng vô tuyến nhận thức được liên kết lại để phát hiện người dùngchính Cảm biến hợp tác có thể được thực hiện theo hai phương án là tập trung và

phân tán Về phương pháp tập trung, trạm gốc đóng vai trò thu thập các thông tin từngười dùng vô tuyến thông minh và phát hiện hố phổ Còn theo phương pháp phântán, nó yêu cầu trao đổi thông tin giữa các người dùng trong mạng với nhau 1.1.8 Quản lý phổ

Trong mạng Vô tuyến nhận thức, các băng tần phổ chưa sử dụng sẽ được trải ratrên một vùng tần số rộng bao gồm cả băng tần cấp phép và không cấp phép.Các băng tần phổ chưa sử dụng này được phát hiện thông qua cảm biến phổ chothấy các đặc điểm khác nhau không chỉ thay đổi theo thời gian mà còn theo cácthông tin băng tần phổ như tần số và băng thông hoạt động Vì mạng vô tuyến nhậnthức phải chọn được băng tần phổ tốt nhất để đáp ứng các yêu cầu về chất lượngdịch vụ trên toàn bộ các băng tần có sẵn, nên việc quản lý phổ không kém phầnquan trọng Quản lý phổ gồm có hai nhiệm vụ chính: Phân tích phổ và quyết địnhphổ

Phân tích phổ: Phân tích phổ cho phép phân loại các băng tần phổ khác nhau, từ đó

có thể lựa chọn được băng tần phù hợp với yêu cầu của người dùng Để thấy đượcchất lượng của băng tần phổ cụ thể thì phải phân tích được các thông số như mứcnhiễu, suy hao đường truyền, lỗi liên kết vô tuyến, trễ lớp liên kết, thời gian chiếmgiữ băng tần

Nhiễu: Các băng tần phổ khác nhau thường có các mức nhiễu khác nhau, do đó

cần xác định các đặc điểm nhiễu của kênh

Suy hao đường truyền: Khi tần số hoạt động tăng thì suy hao đường truyền cũng

tăng Do đó, nếu công suất phát của người dùng vẫn giữ nguyên thì phạm vi truyềndẫn sẽ giảm tại các tần số cao hơn Nếu tăng công suất phát để bù lại suy hao thì lạilàm tăng nhiễu đối với các người dùng khác

Lỗi liên kết vô tuyến: Dựa vào mức nhiễu của băng tần phổ, tỷ lệ lỗi của kênh

được thay đổi

Trễ lớp liên kết: Để xác định suy hao đường truyền, lỗi liên kết vô tuyến, và

nhiễu thì yêu cầu các giao thức lớp liên kết dữ liệu là khác nhau tại các băng tầnkhác nhau Điều này dẫn tới trễ truyền dẫn gói lớp liên kết dữ liệu khác nhau

Thời gian chiếm giữ băng tần: Các hoạt động của người dùng chính có thể ảnh

hưởng tới chất lượng kênh trong các mạng vô tuyến nhận thức Thời gian nắmgiữ là thời gian mà người dùng vô tuyến nhận thức chiếm giữ một băng tần đượccấp phép trước khi bị ngắt Hiển nhiên là thời gian nắm giữ càng lâu thì chất lượngcàng tốt

Quyết định phổ: Khi tất cả các băng tần phổ đã sẵn có, thì cẩn phải lựa chọn được

bằng tần phù hợp với các yêu cầu về chất lượng dịch vụ và đặc tính của phổ Vìvậy, quản lý phổ cần phải biết được yêu cầu chất lượng dịch vụ của người dùng.Dựa trên đó mà tốc độ dữ liệu, tỷ lệ lỗi chấp nhận được, mô hình truyền dẫn vàbăng tần truyền sẽ được xác định Sau đó dựa vào các quy tắc quyết định mà sẽchọn lựa các băng tần phù hợp

1.1.9 Linh động phổ

Mục đích của hệ thống CR là sử dụng phổ theo cách thức động, có nghĩa là CR sẽtìm kiếm và hoạt động tại băng phổ tốt nhất Để tìm được những khoảng trống phổtốt nhất thì hệ thống CR phải thu thập các khoảng trống này Vì thế, sử dụng phổlinh động được định nghĩa như một cách thức mà người dùng trong hệ thống CR

có thể thay đổi tần số hoạt động được mô tả trong Hình 1-8 Trong hình này, chothấy linh động phổ xảy ra khi các điều kiện kênh hiện thời có biểu hiện xấu đihoặc có sự trở lại của người dùng chính, nó sẽ tự phát hiện và tận dụng những hốphổ còn trống tốt nhất Các giao thức đối với các tầng khác nhau của ngăn xếpmạng phải phù hợp với các tham số kênh Mục đích của việc linh động phổ trong

vô tuyến nhận thức là để đảm bảo quá trình truyền dẫn xảy ra liên tục và chấtlượng

Hình 1-8: Quá trình linh động phổ [1]

Chống lấn phổ: trong hệ thống vô tuyến nhận thức, linh động phổ được thực hiện

khi các điều kiện của kênh truyền trở nên xấu hoặc có sự xuất hiện của tín hiệungười dùng chính Sự linh động phổ sẽ làm tăng thêm các loại chống lấn phổ trong

hệ thống vô tuyến nhận thức Các giao thức từ nhiều lớp khác nhau trong hệ thốngmạng cần phải được thích nghi với các hệ số kênh truyền của tần số đang hoạtđộng Do đó, ngay tại thời điểm bắt đầu của quá trình này, hệ thống CR cần phảithích nghi với tần số hoạt động Mỗi lần một máy trong CR mà thay đổi tần sốhoạt động của nó thì các giao thức mạng cũng phải thay đổi theo, chuyển sang mộtchế độ hoạt động khác Mục đích của sự linh động phổ trong hệ thống CR là chắcchắn rằng sự chuyển đổi tần số được thực hiện một cách suôn sẽ để cho các ứngdụng đang chạy có thể hoạt động với chất lượng tốt nhất có thể trong suốt quátrình chống phổ

1.1.10 Chia sẻ phổ

Trong mạng vô tuyến nhận thức, một trong những thách thức chính khi sử dụng phổtần là việc chia sẻ phổ tần Không giống như cảm biến phổ liên quan chính tới lớpvật lý, hay quản lý phổ liên quan tới các dịch vụ lớp cao hơn Mà vấn đề chính trongviệc chia sẻ phổ là sự cùng tồn tại của các người dùng vô tuyến nhận thức và ngườidùng chính và quản lý các băng thông không liên tục có sẵn Dựa trên các tiêu

chuẩn khác nhau, các kỹ thuật chia sẻ phổ có thể được phân loại theo nhiều cáchkhác nhau.

1.1.1.4 Chia sẻ phổ theo cấu trúc mạng

Chia sẻ phổ theo cấu trúc mạng là có thể phân thành chia sẻ phổ tập trung và khôngtập trung (phân tán), chia sẻ phổ tập trung nghĩa là toàn bộ các nút trong mạnggửi thông tin cảm biến phổ của chúng tới đơn vị điều khiển trung tâm, sau đóđơn vị điều khiển trung tâm sẽ thiết lập lược đồ phân bổ phổ, trong khi đó chia sẻphổ phân tán nghĩa là toàn bộ các nút tự quyết định truy nhập phổ theo cách riêng

1.1.1.5 Chia sẻ phổ theo cách thức cấp phát phổ tần

Chia sẻ phổ theo cách thức cấp phát tần số là có thể phân loại thành chia sẻ phổhợp tác và không hợp tác Trong chia sẻ phổ hợp tác tại mỗi nút chia sẻ kết quảcảm biến phổ của nó với các nút khác, sau đó thuật toán phân bố phổ sẽ quyết địnhdựa trên các thông tin này, ngược lại chia sẻ phổ không hợp tác có nghĩa là các nút

tự nó quyết định chia sẻ phổ mà không cần các thông tin về cảm biến phổ

1.1.1.6 Chia sẻ phổ theo công nghệ truy cập

Chia sẻ phổ theo công nghệ truy cập là có thể phân thành chia sẻ phổ Overlay vàchia sẻ phổ Underlay

Chia sẻ phổ Overlay: trong chia sẻ phổ Overlay, máy thu phát vô tuyến nhận thức sẽchỉ có thể truy cập vào phần phổ tần được cấp phép khi người dùng chính (ngườidùng được cấp phép) không sử dụng phần phổ tần đó được trình bày như Hình 1-9

Có nghĩa là người dùng vô tuyến nhận thức truy nhập mạng thông qua hố phổ khikhông được sử dụng Trong hình này, cho thấy người dùng mạng vô tuyến nhậnthức và người dùng chính đều riêng biệt nhau và không bị tác động lẫn nhau Do đó,nhiễu tới người dùng chính là rất nhỏ

Hình 1-9: Chia sẻ phổ Overlay [1]

Chia sẻ phổ Underlay: trong chia sẻ phổ Underlay, người sử dùng vô tuyến nhậnthức sẽ sử dụng các công nghệ trải phổ như CDMA (đa truy nhập phân chia theomã) hay UWB (siêu băng rộng) để chia sẻ băng tần với người dùng chính Việc sửdụng các công nghệ trải phổ sẽ giúp cho người dùng vô tuyến nhận thức có thể dùngcùng băng tần với người dùng chính bất kể cả người dùng chính có sử dụng phổ tầnhay không được trình bay như trong Hình 1-10 Trong trường hợp này, người dùngchính sẽ coi người dùng phụ là nhiễu Một vấn đề đặt ra trong phương pháp này làngười sử dụng vô tuyến thông minh phải kiểm soát được công suất phát của mình

để tránh gây nhiễu lên người sử dụng được cấp phép

Hình 1-10: Chia sẻ phổ Underlay [1]

Hiển nhiên, khi người dùng vô tuyến nhận thức biết toàn bộ thông tin về hệ thốngcấp phép thì overlay thể hiện tốt hơn underlay

1.5 Lợi ích của vô tuyến nhận thức

Lợi ích chính của vô tuyến nhận thức nâng cao chất lượng dịch vụ người dùng tronghai lĩnh vực cá nhân và lĩnh vực chính phủ

1.1.11 Lĩnh vực cá nhân

Môi trường gia đình và nhà: công nghệ là một phần thiết yếu của cuộc sống hiệnđại Tận hưởng thời gian một cách chất lượng với gia đình là điều quan trong Kếtquả là không còn ranh giới giữa nhà và công sở Một người có thể ngồi tại nhà vàhọp với các đối tác thông qua mạng WLAN Trong khi đó người hàng xóm có thểtruy cập mạng cho nhu cầu giải trí Hệ thống thông tin không dây truyền thống khó

có thể hoạt động thông suốt trong giờ truy cập cao điểm Tuy nhiên, hệ thống vôtuyến nhận thức sẽ dò tìm và sử dụng những khoảng phổ trống để tránh tắc nghẽntrong giờ truy cập cao điểm và thỏa mãn nhu cầu của người dùng

Môi trường trường học: khi đứa trẻ đến trường thì yếu tố an toàn cũng được quantâm Một thiết bị gắn vào người học sinh để truyền thông tin về cho bộ điều khiểntrung tâm đặt tại nhà hay trường học giúp giáo viên và phụ huynh quản lí con em.Bất cứ khi nào đứa trẻ không tuân theo các qui định đã được thiết lập thì báo cáo sẽgửi về trung tâm Việc truyền thông tin này cần có kênh truyền thông suốt để bộphân điều khiển có thể cập nhật mọi báo cáo Do vậy mà cần ứng dụng hệ thống vôtuyến nhận thức

Môi trường công sở: vô tuyến nhận thức có thể ưu tiên kết nối mạng dựa vào trạngthái ưu tiên Ví dụ khi có cuộc họp quan trong thì nó sẽ dành kết nối mạng với ưutiên cao nhất và khoảng phổ sẵn có để sử dụng Vô tuyến nhận thức cũng sẽ liên tụccập trạng thái của bảng ưu tiên để dựa vào đó có thể quản lí và chia sẻ phổ một cáchhợp lí

Giao tiếp người – máy: một trong những đặc điểm chính của vô tuyến nhận thức làkhả năng tương tác tự động giữa thiết bị thông tin với người dùng nó Ta có một sốứng dụng dựa trên khả năng tương tác ấy:

Xác thực người dùng: Vô tuyến nhận thức có thể nhận thức được các đặc điểm riêng

để xác định người dùng như giọng nói, DNA, dấu vân tay rồi từ đó giúp trung tâmđiều khiển xác định được người dùng

Trạng thái người dùng: Vô tuyến nhận thức có thể xác định trạng thái người dùng

như : vui buồn, sợ hãi Dựa vào mức âm lượng của giọng nói và hành động Chẳnghạn người dùng sợ hãi, vô tuyến nhận thức có thể phát hiện và tự động gọi chotrung tâm để giúp đỡ

Thói quen người dùng: Vô tuyến nhận thức có thể học về thói quen người dùng như

số điện thoại hay gọi nhất, trang web hay truy cập nhật Từ kiến thức đó nó đưa raquyết định phù hợp tùy hoành cảnh Hình 1-11 sẽ minh họa ứng dụng vô tuyến nhậnthức, trong đó môi trường xung quanh đường đi của người dùng hàng ngày kết hợpvới hệ thống thông tin để cung cấp chất lượng tín hiệu mong muốn

Hình 1-11: Ứng dụng vô tuyến nhận thức trong thói quen người dùng [1]

1.1.12 Lĩnh vực chính phủ (công cộng: bảo vệ, an ninh, an toàn, và tình huống thảmhọa)

Vô tuyến thông minh được ứng dụng trong an toàn công cộng và ứng phó vớitrường hợp khẩn cấp như thảm họa Vì các mạng khẩn cấp liên quan tới thông tinkhẩn nên cần đảm bảo truyền thông tin cậy với trễ nhỏ nhất Thêm vào đó, truyềnthông khẩn cấp yêu cầu một lượng phổ đáng kể để xử lí lượng lưu lượng rất lớn,bao gồm thoại, video, và dữ liệu Các mạng vô tuyến nhận thức có thể cho phép sửdụng phổ sẵn có bằng cách duy trì ưu tiên truyền thông và thời gian đáp ứng

Một số trường hợp điển hình ứng dụng vô tuyến nhận thức để giải quyết vấn đề củachính phủ trong bảo vệ, an ninh, an toàn, và tình huống thảm họa.

Quản lý và cứu hộ trong tình huống thảm họa: trong trường hợp thảm họa xảy ra,mạng không dây cá nhân như mạng điện thoại có thể không hoạt động và khoảngphổ dùng cho an ninh công cộng có thể quá tải bởi số lượng các kết nối khẩn cấp.Lúc này vô tuyến nhận thức có thể sử dụng những khoảng phổ trống cả có phéphoặc không phép và các thiết bị mạng không đồng nhất để thiết lập và duy trì kếtnối khẩn cấp tạm thời Ví dụ nó có thể thiết lập kết nối trên băng GSM sử dụngđiểm truy cập WLAN

Cứu hỏa: cứu hỏa đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết các thảm họa: cháynhà, cháy rừng Nói chung lính cứu hỏa phải làm việc trong môi trường thay đổiliên tục do đó thông tin phải được cập nhật liên tục Chẳng hạn như trong thảm họacháy rừng thì các thông tin cần thiết là nhiệt độ, tốc độ gió và hướng gió, số lượnglính cứu hỏa Vô tuyến nhận thức sẽ thiết lập kết nối hiệu quả nhất tùy vào điều kiênkênh truyền (sức gió, độ nóng, độ ẩm) nhằm duy trì việc trao đổi thông tin giữa línhcứu hỏa và bộ phận chỉ huy

Chống tội phạm: các thông tin liên quan đến tội phạm rất quan trọng trong quá trìnhđiều tra và phải mang tính bảo mật Vô tuyến nhận thức giúp việc trao đổi các thôngtin đó một cách nhanh chóng và mang tính bảo mật cao, ngăn chặn người dùngkhông xác thực đánh cắp thông tin

Điều khiển giao thông: giao thông là một vấn đề lớn đặc biệt là vào giờ cao điểm.Trung tâm quản lí giao thông sẽ truyền các thông tin về vị trí giao thông tắc nghẽn,

dự đoán và đưa ra con đường thay thế cho người đang tham gia giao thông nhờ vào

hệ thống vô tuyến nhận thức Tại các cột đèn báo hiệu giao thông, dựa vào thông tinnhận được về lưu lượng người trên các hướng để quyết định đèn xanh và đỏ sẽ sángtrong bao lâu

Y tế: Trong tình huống cấp cứu: các xe cấp cứu được trang bị hệ thống liên lạckhông dây để truyền các thông tin về bệnh nhân về trung tâm điều khiển Nhữngthông tin này cần băng thông rộng để truyền cả tín hiệu thoại và video về tình trạng

bệnh nhân để có thể chẩn đoán và đưa ra phương pháp điều trị kịp thời Do vậy vôtuyến nhận thức được ứng dụng nhằm đảo bảo sự nhanh chóng, thông suốt và tincậy của thông tin.

Công nghệ y sinh: Công nghệ này gắn các thiết bị điện tử vào cơ thể con người đểthay thế một số bộ phận và báo cáo các thông tin khi cần thiết Vô tuyến nhận thức

có khả năg phát hiện các mô bất thường hay tế bào máu trong cơ thể con người vàbáo cáo cho bác sĩ Nó đóng vai trò quan trọng trong việc cứu người

Trợ giúp cho người mù: Vô tuyến nhận thức đóng vai trò như đôi mắt của người

mù Nó có thể nhận các thông tin về khu vực an toàn để đi, thời gian an toàn đểbăng qua đường và con đường đi từ nhà đến công sở hay các nơi khác.Từ đó nó sẽđưa ra chỉ dẫn về đường đi cho người mù

Môi trường: Dự báo thời tiết: mạng lưới cảm biến dược dùng để phát hiện các thông

số thời tiết như nhiệt độ, tốc độ gió, áp suất không khí, độ ẩm trong thời gian dài.Nếu chúng được trang bị khả năng nhận thức, chúng có thể liên lạc qua lại màkhông cần sự can thiệp của con người Bằng cách này các cảm biến sẽ phát hiện, thuthập, và chia sẻ thông tin để tối ưu hóa hoạt động Sau khi được thu thập đầy đủ, dữliệu được gửi về trung tâm điều khiển bởi cảm biến gần nhất để tối ưu công suất sửdụng, mạng sử dụng và thời gian trễ

Kiểm soát ô nhiễm không khí: phát hiện tạp chất trong không khí là ưu tiên chính đểbảo vệ sức khỏe con người Vô tuyến nhận thức có thể ước lượng thông minh tạpchất trong không khí, truy xuất dữ liệu liên quan đến ô nhiễm và báo động khi mức

độ ô nhiễm vượt qua giới hạn cho phép Mức ngưỡng đó cũng có thể được vô tuyếnnhận thức điều chỉnh phụ thuộc vào các yếu tố khác

Hiện tượng nóng lên toàn cầu: đây là đề tài nóng trong thế giới hiện đại nơi mà môitrường bị ô nhiễm bởi sự phát triển công nghiệp, giao thông Kết quả là trái đất ngàycàng nóng lên và làm tan băng ở hai cực làm tăng mực nước biển và đe dọa cuộcsống của nhiều sinh vật Để tính toán tình huống thảm khốc này và thiết lập biệnpháp phòng ngừa Do vậy cần theo dõi đường đi của sự thay đổi địa lí và thời tiết

bằng cách sử dụng thiết bị tự điều khiển và báo cáo dữ liệu về trung tâm như vôtuyến nhận thức.

Quân đội: một trong những ứng dụng tiềm năng nhất của mạng Vô tuyến thôngminh là môi trường vô tuyến trong quân đội Các mạng Vô tuyến thông minh có thểcho phép các vô tuyến quân đội lựa chọn băng tần số trung tần, sơ đồ điều chế và

sơ đồ mã hóa tùy ý, thích ứng với môi trường vô tuyến biến đổi của chiến trường.Các mạng quan đội này cũng cần bảo mật cao và bảo vệ thông tin trong môi trường

có địch Các mạng Vô tuyến thông minh có thể cho phép nhân viên quân đội thựchiện chuyển giao phổ để tìm băng phổ an toàn cho chính họ và các phe đồng minhcủa họ

1.6 Kết luận

Trong chương này, đồ án đã trình bày về vô tuyến nhận thức, điều khiện ra đời vàlợi ích mà vô tuyến nhận thức đem lại Mô hình tổng thể của vô tuyến nhận thứccho chúng ta biết trong mạng vô tuyến nhận thức gồm những thành phần nào, cấutrúc và hoạt động của vô tuyến nhận thức Từ đó, ta hiểu rõ hơn ý nghĩa của vôtuyến nhận thức

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN ĐA CHẶNG

1.7 Giới thiệu chung

Vô tuyến đa chặng là sự kết hợp của các liên kết truyền dẫn ngắn lại với nhau để cóthể mở rộng phạm vi phủ sóng của mạng bằng cách sử dụng các thiết bị chuyển tiếptrung gian giữa máy phát và máy thu, nâng cao năng lực của mạng không dây, màchi phí lại thấp Việc sử dụng truyền dẫn chuyển tiếp có nhiều ưu điểm, quan trọng

là công suất phát được yêu cầu của hai phía phát và thu

1.1.13 Khái niệm vô tuyến đa chặng

Vô tuyến đa chặng là một sự kết hợp của các liên kết ngắn để có thể phủ sóng mộtkhu vực rông lớn bằng cách sử dụng các thiết bị chuyển tiếp trung gian giữa trạmgốc (BS) và máy thu (MS) Một mạng vô tuyến đa chặng gồm ba thành phần cơ bản

đó là trạm gốc (BS), trạm chuyển tiếp (RS), trạm đích (MS) được mô tả trong Hình2-1 Trong hình này, tín hiệu từ trạm gốc sẽ được truyền đến trạm địch thông quamột số trạm chuyển tiếp Làm như vậy sẽ giúp cho trạm gốc giảm bớt công suấtphát

Trạm gốc (Base Station): có khả năng giao tiếp với nhiều điểm chuyển tiếp, ngoài ratrạm gốc còn có tên là multihop relay

Trạm chuyển tiếp (Relay Station): nhận thông tin từ trạm gốc đưa tới và sau đótruyền tới trạm địch

Trạm đích (Mobile Station): thiết bị người dùng

Hình 2-12: Vô tuyến đa chặng [3]

1.1.14 Đặc trưng cơ bản của vô tuyến đa chặng

Đặc trưng cơ bản của vô tuyến đa chặng gồm 2 yếu tố đó là công suất tiêu thụ vànhiễu tại nút Mạng vô tuyến đa chặng gồm nhiều nút trung gian, các nút trung gian

này được xem là nhỏ, giá thành thấp, độ phức tạp không cao và tiêu thụ ít nănglượng Hình 2-2 sau này là sơ đồ khối mô tả công suất tiêu thụ của nút trung gian.

Trong hình này, nút được cung cấp một công suất là P d, công suất này bị tiêu tan

một phần P i bởi tải và suy hao trong các bộ khuếch đại [3]

Hệ số của một bộ khuếch đại được miêu tả trong công thức (2.1) Trong đó P ri làcông suất tín hiệu nhận được từ kênh truyền đưa tới

η= P i

P d+P ri

(2.1)

Công suất cung cấp sẽ được trình bày trong công thức (2.2) Trong đó, hệ số khuếch

đại G được tính bằng công thức G = P i / P ri

Hình 2-13: Sơ đồ khối mô tả công suất tiêu thụ của nút trung gian [3]

Nhiễu là một thành phần không thể tránh khỏi ở hệ thống truyền thông vô tuyến, đểđơn giản thì trong phần này chỉ trình bày nhiễu ở một nút Sau đây là sơ đồ khối củamột nút chuyển tiếp được miêu tả trong Hình 2-3 Trong hình này, tín hiệu cao tầnnhận được từ anten Sau đó được đưa vào bộ lọc để lọc nhiễu và khuếch đại tín hiệu

bởi bộ khuếch đại tạp âm LNA (Low Noise Amplifier) Tín hiệu sau khi đượckhuếch đại được làm sạch và được đưa vào bộ trộn Tín hiệu sau khi trộn lại đượcđưa vào bộ khuếch đại trung gian IFA (Intermediate Frequency Amplifier).

Hình 2-14: Sơ đồ khối của nút chuyển tiếp trong pha đầu tiên [3]

1.8 Mô hình mạng vô tuyến đa chặng

Mô hình mạng vô tuyến đa chặng được thể hiện qua Hình 2-4 Trong hình này,mạng vô tuyến đa chặng là một sự kết hợp của nhiều chặng lại với nhau để có thểphủ sóng một khu vực rộng lớn bằng cách sử dụng các thiết bị chuyển tiếp được gọi

là Relay, chuyển tiếp trung gian giữa trạm gốc (BS) và máy thu (MS) [3]

Hình 2-15: Mô hình mạng vô tuyến đa chặng [7]

Với mô hình mạng hai chặng là mô hình đơn giản nhất trong mô hình mạng vôtuyến đa chặng được mô tả trong Hình 2-5 Thì công suất phát được mô tả bởi côngthức (2.4)

RXK ( D 2 )2

(2.6)

Trong trường hợp tổng quát, khoảng cách truyền dẫn được chia thành n chặng bằng

nhau, mỗi chặng có khoảng cách là

D

n Từ công thức (2.4), ta xác định được công

suất cho tuyến truyền đa chặng được mô tả bởi công thức (2.7)

P TX_nHop = {n.P RX K ( D n )2 ; 1 < n < ∞}

(2.7)

Hình 2-16: Mô hình hai chặng trong mạng vô tuyến đa chặng [8]

1.9 Cấu trúc và hoạt động của hệ thống vô tuyến đa chặng

Vô tuyến đa chặng có 2 cấu trúc mạng Câu trúc mạng thứ nhất được trình bày ởHình 2-6 Trong hình này, tín hiệu vô tuyến chỉ có thể đến các trạm cách nhau mộtchặng từ máy phát Các đường liền nét được sử dụng để kết nối các trạm cách nhau

một chặng, và do đó có thể liên lạc trực tiếp với nhau Ở Hình 2-6, khi trạm BSmuốn truyền tín hiệu đến MSm thì phải truyền thông qua nhiều trạm RS và ngượclại Vì tín hiệu trong cấu trúc thứ nhất này chỉ có thể đến trạm cách nhau một chặng.

Ví dụ như MS3 trong hình chỉ có thể thiết lập truyền dẫn trực tiếp tới RS3 Cònmuốn truyền cho RS2 thì phải thông qua RS3

Hình 2-17: Cấu trúc mạng thứ nhất trong vô tuyến đa chặng [4]

Cấu trúc mạng thứ hai được trình bày ở Hình 2-7 Trong hình này, tín hiệu vô tuyến

có thể nhận và truyền đến các đối tượng của mạng mà cách xa chúng hơn mộtchặng, với phương pháp mã hóa và điều chế thích hợp được lựa chọn Các đườngliền nét được sử dụng để kết nối các trạm cách nhau một chặng, và do đó có thể liênlạc trực tiếp với nhau Trong khi đó, các nét đứt đại diện cho việc liên lạc có thểgiữa hai trạm mà giữa chúng có nhiều chặng (hop) Ví dụ như MS 3 trong hình cóthể tham gia truyền trực tiếp không chỉ với BS, mà còn với RS2 và RS3 Cấu trúcnày còn gọi là hệ thống đa chặng phối hợp

Hình 2-18: Cấu trục mạng thứ hai trong vô tuyến đa chặng [4]

1.10 Ưu điểm và nhước điểm của vô tuyến đa chặng

1.1.15 Ưu điểm của vô tuyến đa chặng

Giảm công suất: Với Hình 2-7, chúng ta có thể so sánh mức công suất giữa truyền

trực tiếp và truyền dẫn đa chặng Ta có công suất phát tại MS A truyền trực tiếp đến

MS B được trình bày qua công thức (2.8) [4]

P direct,A->B = K d α AB P r = K ( √d2AC+d CB2 −2dAC d BC cosθ)α P r

P direct,A->B > P direct,A->C + P direct,C->B = K (d α AC+d CB α ) P r (2.8)

Trong công thức (2.8), K là hệ số suy hao đường, α là hệ số mủ suy hao đường và

P r là công suất thu yêu cầu tại mỗi nút thu Như vậy, ta thấy rằng P direct,A->B

P direct , A →B sẽ lớn hơn tổng công suất truyền P direct,A->C + P direct,C->B của truyền đa chặng

Hình 2-19: Công suất phát của truyền dẫn trực tiếp so với đa chặng [4]

Tăng dung lượng hệ thông: Do công suất phát giảm, phạm vi phủ sóng của trạm

gốc (BS) của đa chặng cũng sẽ nhỏ hơn đơn chặng, do đó phổ có thể được tái sử

dụng thường xuyên hơn, do khoảng cách tài sử dụng ngắn hơn Vì vậy, dung lượng

hệ thống sẽ tăng lên

Nâng cao tốc độ dữ liệu: Trong mạng di động CDMA truyền thống, những MS ở

gần BS thì tốc độ dữ liệu sẽ cao, còn những MS ở xa BS thì tốc độ dữ liệu thấp dohạn chế về công suất Với vô tuyến đa chặng, MS ở cách xa BS những vẫn có thểđạt được tốc độ dữ liệu cao nhờ thiết bị chuyển tiếp gần trạm BS Ngoài ra, côngnghệ không dây tầm ngắn, chẳng hạn như IEEE 802.11, sử dụng những nút chuyểnniếp như vậy, nhũng MS vẫn có thể đạt được tốc độ dữ liệu cao

Cân bằng lưu lượng tải: Đối với vô tuyến đơn chặng, việc phân phối lưu lượng

không cân bằng sẽ làm ảnh hưởng đến việc quản lý Đặc biệt, một số cell vẫn đủkênh, trong khi các sell khác là bị tắc nghẽn Mặc dù lưu lượng tải chưa đạt tối đanhưng một số lượng lớn các cuộc gọi có thể bị chặn hoặc bị rớt do bảo hòa cục bộcác cell bị nghẽn Việc gán băng thông cao hơn cho cell bị tắc nghẽn, có thể tăngdung lượng hệ thống Tuy nhiên, điều này là không thực hiện được theo quy địnhphổ hiện tại Hơn nữa, nó không phải là một cách hiệu quả để giải quyết vấn đề mấtcân bằng lưu lượng thay đổi theo thời gian Trong vô tuyến đa chặng, cho phép lưulượng từ các cell bị nghẽn có thể chuyển hướng đến các cell không bị nghẽn Bằngcách này, xác suất rớt cuộc gọi của toàn bộ mạng có thể được giảm nhờ cân bằng tảigiữa các cell bị tắc nghẽn và cell gần kề không bị nghẽn

Mở rộng vùng phủ sóng của hệ thống: Những MS ở các khu vực điểm chết của

các mạng di động vẫn có thể thiết lập kết nối thông qua đa chặng Điểm chết có thể

là các khu vực rìa của cell, các khu vực bị phản xạ, nhiễu xạ sóng cao (ví dụ nhưtrong đường hầm, sau một nhà cao tầng)

Hình 2-20: Mở rộng phạm vi phủ sóng đến điểm chết bằng nút chuyển tiếp [4]

Như trong Hình 2-5 cho thấy được việc mở rộng vùng phủ sóng, ví dụ như trongđường hầm xe lửa, MS nằm trong vùng điểm chết có thể truy cập đến MS khácthông qua lưu lượng chuyển tiếp qua nhiều chặng

Cải thiện độ tin cậy định tuyến: Trong mạng đa chặng, quyết định định tuyến có

thể được hỗ trợ bởi những BS thông minh và số chặng trong đường định tuyến cóthể được giảm thông qua việc sử dụng các cơ sở hạ tầng có dây, do đó nâng cao độtin cậy định tuyến

1.1.16 Nhước điểm của vô tuyến đa chặng

Bên cạnh những ưu điểm mà vô tuyên đa chặng đem lại, thì vô tuyến đa chặng cũng

có một số nhược điểm:

Hệ thống phức tạp: Vô tuyến đa chặng cũng làm cho hệ thống trở nên phức tạp vì

nó là một mạng lai, chẳng hạn như trong việc chuyển giao, đính tuyến và quản lýđịnh tuyến cho truyền thông ngang hàng (peer to peer) Ví dụ, việc chuyển giaokhông chỉ là thực hiện cho MS để di chuyển từ cell này đến cell khác, mà nó còntham gia vào việc truyền thông ngang hàng Bên cạnh đó, các BS có thể cần phảikiểm soát cơ chế định tuyến cho một số lượng lớn của MS Vì vậy, trạm BS đòi hỏimột cơ sở dữ liệu lớn để lưu trữ thông tin của các MS và một thiết bị tính toán mạnhhơn để xác định phương án định tuyến cho các MS

Bảo mật kém: Vô tuyến đa chặng cho phép truyền đa chặng qua các RS di động

hoặc cố định và bị hạn chế về bảo mật khi các kênh chuyển tiếp nằm trong các băngtần vô tuyến miễn phí Ngoài ra, việc truyền thông ngang hàng có thể để lại những

lổ hổng cho các hành vi gian lận, đặc biệt là giao dịch liên quan đến tiền tệ

Trễ: Do việc sử dụng truyền dẫn qua nhiều chặng, các gói tin có thể lưu trong bộ

đệm tại các RS Kết quả là trễ đầu-cuối có thể cao hơn so với truyền dẫn đơn chặng,đặc biệt là khi tắc nghẽn xảy ra do lưu lượng tải cao

1.11 Kết luận

Trong chương này, đồ án đã đưa ra những khái niệm cơ bản, phân tích những ưunhược điểm của vô tuyến đa chặng Ngoài ra, đồ án còn trình bày về mô hình, cấutrúc và hoạt động của hệ thống vô tuyến đa chặng Từ những phân tích ưu nhượcđiểm vô tuyến đa chặng và một số kiến trúc được đề xuất của mạng đa chặng, nhàquản lý mạng sẽ sẽ lựa cho mình kiến trúc của hệ thống vô tuyến đa chặng hợp lýphù hợp với điều kiện thực tế

Vô tuyến đa chặng sử dụng nút chuyển tiếp để chia đường truyền ra thành nhiềuchặng nhỏ Việc sử dụng nút chuyển tiếp để chia thành nhiều chặng nhỏ có nhiều ưuđiểm như giảm công suất phát, mở rộng vùng phủ sóng, tăng thông lượng…Để làm

rõ vấn đề này thì một trong những yêu cầu của nút trung gian trên đường truyền làkhuếch đại và chuyển tiếp Để hiểu rõ hơn về kỹ thuật chuyển tiếp, các loại chuyểntiếp, kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp tại nút trung gian trên đường truyền thì việcxây dựng mô hình truyền thông đa chặng và tính toán các thông số là cần thiết Vấn

đề này sẽ được trình bày tiếp theo trong Chương 3