Tìm hiểu chung về công nghệ vô tuyến nhận thức

Vô tuyến nhận thức là một công nghệ mới mang đến những thay đổi mang tính cách mạng trong việc sử dụng tài nguyên phổ tần số. Công nghệ vô tuyến nhận thức được thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, những người dung vô tuyến nhận thức có khả năng sử dụng những dải taafi chia sẻ mà không gây nhiễu tới các người dung được cấp phép. Vô tuyến nhận thức cho phép các thiết bị đầu cuối có thể cảm biến và sử dụng một cách linh hoạt phổ tần sẵn có tại một thời điểm nhất định. Chương I sẽ đề cập cái nhìn tổng quan về công nghệ vô tuyến nhận thức, các khái niệm, đặc tính cũng như hoạt động của vô tuyến nhận thức

Tìm hiểu về công nghệ vô tuyến nhận thức được đề xuất sử dụng trong mạng di động thế hệ thứ 5

Chương I: Tìm hiểu chung về công nghệ vô tuyến nhận thức

1.1. Giới thiệu chương

Vô tuyến nhận thức là một công nghệ mới mang đến những thay đổi mang tính cách mạng trong việc sử dụng tài nguyên phổ tần số Công nghệ vô tuyến nhận thức được thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, những người dung vô tuyến nhận thức có khả năng sử dụng những dải taafi chia sẻ mà không gây nhiễu tới các người dung được cấp phép Vô tuyến nhận thức cho phép các thiết bị đầu cuối có thể cảm biến và sử dụng một cách linh hoạt phổ tần sẵn có tại một thời điểm nhất định Chương I sẽ đề cập cái nhìn tổng quan về công nghệ vô tuyến nhận thức, các khái niệm, đặc tính cũng như hoạt động của vô tuyến nhận thức

1.2. Định nghĩa vô tuyến nhận thức

Vô tuyến nhận thức là một công nghệ mới, do đó định nghĩa “Vô tuyến nhận thức” được cá nhận và tổ chức trên thế giới nhìn nhận theo nhiều cách khác nhau Một định nghĩa về các hệ thích nghi – AS đã được giới thiệu trong các quy định vô tuyến cách đây một thập kỷ Các hệ thống thích nghi được định nghĩa là có khả năng tự thay đổi các thông số, trong đó có tần số và công suất để tăng cường chất lượng thu Hiện nay, những hệ thống như vậy bị giới hạn bởi các băng tần trung và cao, do các điều kiện truyền dẫn thay đổi nhiều Các quy định quản lý khả thi cho các hệ thống thích nghi đang hạn chế hoạt động của hệ thống này ở các băng do các dịch vụ dành cho an ninh cũng như các dịch vụ thiên văn học vô tuyến, xác định vô tuyến, các dịch vụ nghiệp dư và quảng bá Cùng với sự phát triển của công nghệ, khả năng của các hệ thống thích hứng được cải thiện Phần mềm đóng một vai trò quan trọng trong khía cạnh này và ngày càng khả thi hơn trong việc phân tích môi trường vô tuyến và điều chỉnh các thông số của hệ thống theo môi trường Chẳng hạn việc kết hợp thiết bị vô tuyến và phần mềm mang lại hướng đi mới trong giải quyết vấn đề nghẽn tần số và tăng cường hiệu quả của việc sử dụng tần số

Thuật ngữ “Vô tuyến nhận thức” lần đầu tiên xuất hiện trong một tờ báo năm 1999, nó được Joseph Mitola định nghĩa như sau: “Vô tuyến nhận thức

là mô hình vô tuyến sử dụng những suy luận chặt chẽ để đạt được mục tiêu

cụ thể đã thiết lập trong các miền vô tuyến liên quan”

Cũng trong công trình nghiên cứu về công nghệ vô tuyến nhận thức của một bài báo, tác giả Simon Haykin đã nêu định nghĩa sau: “Vô tuyến nhận thức

là một hệ thống truyền thông không dây nhận thức có khả năng nhận biết về môi trường xung quang nó từ đó học hỏi để thích nghi với sự thay đổi của môi trường bằng cách thay đổi các tham số hoạt động cụ thể (ví dụ: công suất phát, tần số song mang, phương thức điều chế) trong thời gian thực, với hai đặc tính chính: truyền thông độ tin cậy cao tại mọi thời điểm và sử dụng hiệu quả phổ tần số vô tuyến”

FCC địng nghĩa vô tuyến nhận thức dựa trên nền tảng vận hành máy phát như sau: “Là một hệ thống vô tuyến mà có thể thay đổi tham số của máy phát dựa trên sự tương tác với môi trường mà nó hoạt động”

Trong khi trợ giúp FCC nỗ lực đưa ra định nghĩa vô tuyến nhận thức, IEEE

đã đưa ra định nghĩa: “Một bộ thu/phát tần số vô tuyến mà được thiết kế để phát hiện một cách thông minh các phân đoạn riêng lẻ của phổ tần đang được sử dụng, từ đó có thể truy cập vào các phổ tần chưa được sử dụng một cách nhanh chóng, linh hoạt, không gây nhiễu tới các người dùng được cấp phép”

Hay một định nghĩa khác đi sâu vào cách thức hoạt động, cấu trúc của vô tuyến nhận thức: “ Vô tuyến nhận thức là hệ thống mà các phần tử của nó có khả năng thay đổi các tham số ( công suất, tần số, các tham số điều chế, ) trên cơ sở cảm nhận và tương tác với môi trường hoạt động Theo đó, thiết

bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm – SDR sẽ một phầm tử quan trọng trong hệ thống vô tuyến nhận thức Các tham số của SDR có thể thay đổi một cách linh hoạt bằng phần mềm mà không cần phải thay đổi cấu trúc phần cứng Mục đích của vô tuyến nhận thức 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 nhận thức phải có những tính chất cơ bản như sau:

- Tự động điều phát hiện và chỉnh tần số khi tần số này bị chiếm bởi người

sử dụng được cấp phép

- Thiết lập các thông số của mạng và hoạt động trên một phần hoặc toàn bộ băng tần được cấp phát

- Chia sẻ kênh tần số và điều khiển công suất thích ứng theo điều kiện cụ thể của 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 và các sơ đồ mã hóa sửa lỗi để cho phép đạt được băng thông tốt nhất có thể

- Tạo và điều khiển búp sóng thích ứng (Adaptive Beamforming) theo đối tượng truyền thông

Cuối cùng ta có thể tiến tới một định nghĩa chung nhất về vô tuyền nhận thức nhau sau: Vô tuyến nhận thức là hệ thống có khả năng phân tích, cảm nhận môi trường xung quanh, từ đó thay đổi các tham số truyền dẫn để đạt được mục đích sử dụng phổ tần sẵn có một cách hiệu quả và tiết kiệm nhất

1.3. Hoạt động của vô tuyến nhận thức

Từ định nghĩa trên ta có thể thấy vô tuyến nhận thức có hai đặc điểm chính sau:

- Khả năng nhận thức: Khả năng mà công nghệ vô tuyến có thể nắm bắt hoặc cảm nhận các thông tin từ môi trường vô tuyến Khả năng này không chỉ đơn giản là thực hiện giám sát công suất trong một số băng tần

số quan tâm mà còn yêu cầu nhiều công nghệ phức tạp để nắm bắt sự biến đổi của môi trường còn yêu cầu nhiều công nghệ phức tạp để nắm bắt sự biến đổi của môi trường vô tuyến trong không gian và theo thời gian nhằm tránh nhiễu ảnh hưởng tới những người dùng khác Thông qua khả năng này, các phần phổ không sử dụng tại một thời điểm hoặc vị trí nhất định có thể được xác định Từ đó, hệ thống có thể lực chọn được khoảng phổ tốt nhất và các thông số hoạt động phù hợp nhất không gây ảnh hưởng đến người dùng được cấp phép

- Tính tự cấu hình: Tính tự cấu hình cho phép vô tuyến nhận thức có khả năng tự động thích nghi theo sự thay đổi của môi trường vô tuyến Đặc biệt, vô tuyến nhận thức có thể được lập trình để truyền và nhận trên các tần số khác nhau và để sử dụng các công nghệ truy nhập truyền dẫn khác nhau được hỗ trợ bởi phần cứng Một số thông số tự cấu hình cần chú ý là: tần số hoạt động, tham số điều chế, công suất phát… Mục tiêu cơ bản của vô tuyến nhận thức là tận dụng được phổ tần có sẵn một cách tốt nhất thông qua khả năng tự nhận thức và tính tự cấu hình Vì hầu hết phổ tần

đã được gán, nên thách thức lớn nhất là sử dụng chia sẻ phổ tần được cấp phép mà không gây nhiễu tới quá trình truyền dẫn của những người dùng được cấp phép khác Vô tuyến nhận thức cho phép sử dụng những vùng phổ trống theo từng thời điểm, phổ này ám chỉ hố phổ hay khoảng trắng (hình 1.1) Nếu dải phổ này được người dùng sơ cấp ( người dùng được cấp phép) sử dụng tiếp thì những người dùng vô tuyến nhận thức phải chuyển đến hố phổ khác hoặc nếu vẫn ở trong cùng một băng thì thay đổi mức công suất phát hoặc sơ đồ điều chế để tránh nhiễu:

Hoạt động của vô tuyến nhận thức có thể được mô tả như hình 1.2 dưới đây:

Hình 1.2 thể hiện các nhiệm vụ chính của một mạng vô tuyền nhận thức Các nhiệm vụ này có thể được phân loại như sau:

- Cảm nhận phổ/Cảm biến phổ: Vô tuyến nhận thức giám sát các dải phổ sẵn có, thực hiện các kỹ thuật cảm biến phổ để xác định vị trí các hố phổ hay vùng phot tạm thời chưa được sử dụng

- Quản lý phổ: Chiếm giữ phần phổ tần tốt nhất để đưa ra các kế hoạch phân bổ phổ cho các người dùng một cách hợp lý

- Dịch chuyển phổ: Đảm bảo các yêu cầu truyền thông thông suốt hay liên tục

- Chia sẻ phổ: Phân chia phổ tần hợp lý giữa các người dùng vô tuyến nhận thức đang cùng tồn tại

Các mạng vô tuyền nhận thức cho phép các giao thức truyền thông tin nhận biết phổ Tuy nhiên, việc sử dụng phổ tần động gây ra các ảnh hưởng bất lợi đến các hệ thống vô tuyến sử dụng dải tần cấp phép cố định

Hình 1.3 minh họa giao thức giao tiếp giữa các lớp trong mô hình mạng

vô tuyến nhận thức Chính sự tác động này đòi hỏi mạng vô tuyến nhận thức phải có chức năng thiết kế đa lớp Đặc biệt, việc cảm biến phổ và chia sẻ phổ phải được kết hợp để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ Trong chức năng chia sẻ và dịch chuyển phổ, các chức năng ở lớp ứng dụng, truyền tải, định tuyến, truy nhập phương tiện và lớp vật lý được thực hiện đồng thời

Như vậy, chắc năng cảm biến phổ tần được thực hiện tại lớp vật lý trong khi chức năng chia sẻ phổ được thực hiện chủ yếu tại lớp liên kết dữ liệu

1.4. Các chức năng chính của mạng vô tuyến nhận thức

Các công nghệ vô tuyến nhận thức cung cấp khả năng sử dụng và chia sẻ phổ theo cơ hội Các kỹ thuật truy nhập phổ tần động cho phép vô tuyến nhận thức hoạt động trong kênh tốt nhất có sẵn Cụ thể hơn, công nghệ vô tuyến nhận thức cho phép người dùng có các khả năng:

- Xác địng các khoảng phổ sẵn có và phát hiện ra những người dùng sơ cấp khi người dùng đó hoạt động trong băng cấp phép – Cảm biến phổ

- Lựa chọn kênh tốt nhất trong vùng phổ trống – Quản lí phổ

- Phân bổ phổ tần khả dụng cho người dùng – Chia sẻ phổ

- Bỏ kênh đang chiếm dụng khi phát hiện người dùng sơ cấp – Dịch

chuyển phổ

1.4.1. Cảm biến phổ

Một yêu cầu quan trọng của mạng vô tuyến nhận thức là cảm nhận các hố phổ Như đã nêu trên, môt mạng vô tuyên nhận thức được thiết kế để cảm nhận và nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường vô tuyến xung quang Chức năng cảm biến phổ cho phép vô tuyến nhận thức thích ứng với môi trường xung quang để phát hiện các người dùng sơ cấp đang truyền nhận dữ liệu trong vùng hoạt động trong vùng phổ cảm biến Tuy nhiên, trên thực tế rất khó cho một mạng vô tuyền nhận thức có thể đo trực tiếp các thông số của kênh đang sử dụng giữa máy phát và máy thu của người dùng sơ cấp

Do vậy, phương pháp khả thi là tập trung vào việc phát hiện mát phát sơ cấp dựa trên các quan sát cục bộ của người dùng vô tuyến nhận thức

1.4.2. Quản lý phổ

Trong mạng vô tuyến nhận thức, các khoảng phổ chưa sử dụng sẽ được trả

ra trên một vùng tần số rộng bao gồm cả băng tần cấp phát và không cấp phát Các khoảng phổ này được phát hiện thông qua cảm biến phoor

(Spectrum sensing) Theo đó, các dữ liệu cảm biến không chỉ thay đổi treo thời gian mà còn thay đổi theo các thông tin băng tần phổ như tần số và băng thông hoạt động Vì mạng vô tuyến nhận thức phải quyết định được băng tần phổ tốt nhất để đáp ứng các yêu cầu về chất lượng dịch vụ - QoS trên toàn

bộ các bằng tần có sẵn, nên các chức năng quản lý phổ phải được tính toán dựa trên đặc tính phổ động

1.4.3. Dịch chuyển phổ

Dịch chuyển phổ được định nghĩa là quá trình một người dùng mạng vô tuyến nhận thức thay đổi tần số hoạt động của mình Quá trình này được gọi

là quá trình chuyển giao phổ Trong mạng vô tuyến nhận thức, chuyển giao phổ xảy ra khi các điều kiện kênh hiện thời có biểu hiện xấu đi hoặc có siwj trở lại của người dùng sơ cấp Các giao thức giữa các lớp khác nhau trong mạng phải phù hợp với các tham số kênh Múc đích của việc chuyển phổ trong mạng vo tuyến nhận thức là để đảm bảo quá trình truyền dẫn xảy ra liên tục, chất lượng và không gây ảnh hưởng xấu đến người dùng chính trong cùng phổ được cấp phép

1.4.4. Chia sẻ phổ

Trong mạng vô tuyến nhận thức, một trong những thách thức chính khi sử dụng phổ tần động là việc chia sẻ phổ tần Không giống như cảm biến phổ liên quan chính tới lớp vật lý, hay quản lý phổ liên quan tới các dịch vụ lớp cao hơn, chức năng chia sẻ phổ tương tự với công nghệ phân bổ tài nguyên

và đa truy nhập đa năng chia sẻ phổ tương tự với công nghệ phân bổ tài nguyên và đa truy nhập đa người dùng trong lớp MAC của hệ thống truyền thông hiện nay Vấn đề chính trong việc chia sẻ phổ là sự tồn tại đồng thời giữa những người dùng vô tuyến nhận thức và các người đùn sơ cấp cũng như việc quản lý các băng thông không liên tục Dựa trên các tiêu chuẩn khác nhau, các kỹ thuật chia sẻ phổ có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau

1.5. Kiến thức vật lý của vô tuyến nhận thức

1.5.1. Thành phần chính của bộ thu phát vô tuyến nhận thức là đầu cuối RF (RF

Front-End) và khối xử lý băng gốc Mỗi thành phần có thể tự cấu hình thông qua một bus điều khiên để thích ứng với môi trường RF biến đổi theo thời gian Trong đầu cuối RF, tín hiệu thu được khuếch đại, trộn và chuyển đổi tương tự số - A/D Trong khối xử lý băng gốc, tín hiệu được điều chế/giải điều chế, mã hóa/giải mã, Khối xử lý băng gốc của mạng vô tuyến nhận thức về bản thân cũng tương tự như bộ thu phát đnag tồn tại Tuy nhiên, điểm mới ở mạng vô tuyến nhận thức nằm ở đầu cuối RF

Điểm mới của bộ thu phát vô tuyến nhận thức là khả năng cảm nhận bnawg rộng của đầu cuối RF Chức năng này liên quan tới các công nghệ phần cứng

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 phầ nnaof của dải tần rộng lớn Cảm biến phổ cũng cho phép việc đo lường trong thời gian thực các thông tin phổ từ môi trường vô tuyến

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

- Bộ lọc RF: lựa chọn băng mong muốn bằng cách lọc thông dải tín hiệu

RF nhận được

- Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA): LNA khuếch đại tín hiệu mong muốn đồng thời giảm thiểu các thành phần tạp âm

- Bộ trộng: tại bộ trộn, tín hiệu nhận được trộn bới tần số dao động nội và được chuyển đổi thành tần số băng gốc (Base band) hoặc trung tần (IF)

- Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO): tại ra tín hiệu tại một tần số nhất định với điện áo cho trước để trộn với tín hiệu tới, Quá trình này chuyển đổi tín hiệu tới thành tần số băng gốc hoặc 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 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 thaaos để lựa chọn kênh” avf máy thu đổi tần” lại sử dụng bộ lọc thông dải

- Điều khiển độ lợi tự động (AGC): duy trì độ lợi hoặc mức công suất đầu

ra của bộ khuếch đại không đổi qua một dải rộng các mức tín hiệu đầu vào Trong kiến trúc này, tín hiệu băng rộng vào đầu cuối RF, được lấy mẫu bởi bộ chuyển đổi tương tự/số tốc độ vao và thực hiện đo đạc để phát hiện sự có mặt của người dùng sơ cấp

1.6. Mô hình thực hiện vô tuyến nhận thức

1.6.1. Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm

Trước khi trình bày kiến trúc của hệ thống nhận thức, ta sẽ đi sơ qua về hệ thống vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm, nó được coi là nền tảng cho việc thực hiện vô tuyến nhận thức trong tương lai

SDR là một hệ thống truyền thông không dây có thể cấu hình lại, trong đó các tham số truyền dẫn (như băng tần hoạt động, phương thức điều chế, giao thức …) có thể được điều khiển một cách tự động Chức năng được thực hiện bởi các thuật toán xử lý tín hiệu được điều khiển bằng phần mềm SDR

là chìa khóa để thực thi hệ thống vô tuyến nhận thức Dựa theo cùng hoạt động của nó thì SDR có thể là:

- Một hệ thống đa bằng tần số: SDR sẽ hỗ trợ nhiều băng tần khác nhau được sử dụng bởi một hệ thống vô tuyến (Ví dụ: GSM900, GSM1800, GSM1900)

- Một hệ thống đa chuẩn: SDR sẽ hỗ trợ nhiều chuẩn khác nhau ( ví dụ: GSM WCDMA, CDMA2000, WIMAX, WIFI) Các giao thức vô tuyến khác nhau với cùng một chuẩn (ví dụ: IEEE 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac trong chuẩn WIFI) cũng có thể được hỗ trợ bởi SDR

- Một hệ thống hỗ trợ đa kênh: SDR sẽ hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ, ví

dụ như thoại tế bào và truy nhập internet không dây băng rộng

- Một hệ thống đa kênh: SDR có thể hoạt động truyền/nhận dữ liệu trên bằng tần cùng lúc

Vô tuyến định nghĩa phần mềm sử dụng các vi xử lý số khả trình để thực hiện xử lý dữ liệu cần thiết để truyền và nhận các thông tin bằng tần cơ

sở tại tần số vô tuyến

Hình 1.6 Cấu trúc tổng quát bộ thu phát SDR

Hầu hết các thành phần trong cấu trúc của SDR (nhưu bộ xử lý tín hiệu,

bộ chuyển đổi tương tự/số, bộ xử lý băng tần cơ sở ) đều tương tự với vô tuyến truyền thống, chỉ khác ở chỗ là các thành phần này trong SDR có thể được điều khiển bởi các giao thức ở lớp cao hơn hoặc có thể được cấu hình lại bởi các module vô tuyến nhận thức

Trong SDR các đặc tính về tần số sóng mang, băng thông tín hiệu, điều chế và truy nhập mạng đều được định nghĩa bằng phần mềm Ngày nay,

các SDR cũng được thực hiện các mật mã bảo mật cần thiết; mã hóa sửa lỗi trước (FEC); và mã hóa nguồn tiếng nói hình ảnh, hoặc dữ liệu trong phần mềm

1.6.2. Mô hình thực hiện vô tuyến nhận thức

Như đã đề cập ở trên SDR là cơ sở để thực hiện hệ thống vô tuyến nhận thức Lý do rất đơn giản: SDR cũng cấp một mặt bằng vô tuyến rất mềm dẻo, ở đó ta có thể lập trình và điều khiển thích ứng bởi một khối giám sát trung tâm Các công nghệ điện tử hiện đại, bao gồm vi xử lý nhanh,

ADC/DAC tốc độ cao, bộ tổng hợp tần số tốc độ cao, công nghệ vi điện tử,

… đã khiến cho SDR có thể thực hiện được với chi phí rất hợp lý và kích thước nhỏ gọn Các hệ thodng SDR hiện tại có thể thực hiện vô tuyến nhận thức thực sự trong tương lai