Thiết kế, mô phỏng anten tự cấu hình theo tần số sử dụng nguyên lý siêu vật liệu

Anten tự cấu hình với khả năng hiệu chỉnh tần số bức xạ, thay đổi sự phân cực và điều chỉnh mẫu bức xạ, đã được nghiên cứu phát triển, sự đa dạng của chúng đã tạo ra một tầm nhìn mới cho

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGUYỄN VĂN QUYỀN

THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG ANTEN TỰ CẤU HÌNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

Hà Nội - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn Thạc sỹ kỹ thuật “Thiết kế, mô phỏng anten tự cấu hình theo tần số sử dụng nguyên lý siêu vật liệu” do tôi tự hoàn

thành dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Vũ Văn Yêm Các số liệu và kết quả hoàn

toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 28 tháng 2 năm 2017

Người thực hiện

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

phần mềm

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

LỜI MỞ ĐẦU 1

TÓM TẮT 3

ABSTRACT 3

CHƯƠNG I CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC (CR: Cognitive Radio) 4

1.1 Giới thiệu chung 4

1.1.1 Truy cập phổ vô tuyến 4

1.1.2 Vấn đề khan hiếm phổ và hiệu suất sử dụng phổ 5

1.1.3 Giải pháp vô tuyến nhận thức và truy cập phổ động 6

1.2 Hệ thống vô tuyến nhận thức 8

1.2.2 Mô hình vô tuyến nhận thức dựa trên SDR 9

1.2.3 Chức năng 10

1.2.4 Kiến trúc vật lí 20

1.2.5 Các chuẩn của hệ 22

1.3 Kết luận 27

CHƯƠNG II ANTEN TỰ CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ VÀ ỨNG DỤNG 28

2.1 Giới thiệu chung 28

2.1.1 Khái niệm 28

2.1.2 Ứng dụng của anten tự cấu hình 28

2.1.3 Phân loại anten tự cấu hình 29

2.1.4 Các nguyên lý thiết kế cơ bản 29

2.2 Một số mẫu anten tự cấu hình 30

2.2.1 Anten tự cấu hình sử dụng các bộ chuyển mạch (nhóm 1) 30

2.2.1 Anten tự cấu hình sử dụng tụ điện hoặc biến dung ( nhóm 2) 34

2.2.3 Anten tự cấu hình sử dụng sự thay đổi góc vật lý (nhóm 3) 35

2.2.4 Anten sử dụng mạng tiếp điện có khả năng cấu hình lại (nhóm 4) 35

2.3 Những thiết kế mới 36

2.3.1 Anten tự cấu hình dựa trên tiếp điện quay 36

2.3.1 Anten tự cấu hình dạng hình sao 39

2.4 Kết luận 41

CHƯƠNG III VẬT LIỆU METAMATERIAL 42

3.1 Định nghĩa Metamaterials 42

3.2 Đặc điểm của Metamaterials 42

3.2.1 Điều kiện Entropy 47

3.2.2 Đảo ngược hiệu ứng Doppler 47

3.2.3 Đảo ngược hiện tượng khúc xạ 48

3.2.4 Ảnh hưởng đến các hệ số Fresnel [5] 50

3.2.5 Đảo ngược hiệu ứng Goos - Hanchen 52

3.2.6 Đảo ngược sự hội tụ và phân kỳ trong thấu kính lồi và lõm 54

3.3 Hướng phát triển của Metamaterial 54

3.3.1 Những vật liệu “nhân tạo thực sự” 55

3.3.2 Thấu kính và các thiết bị quang có chiết suất âm 55

3.3.3 Thiết bị bảo vệ anten và bề mặt chọn lựa tần số 55

3.3.4 MTMs linh hoạt 56

3.4 Lý thuyết anten metamaterial 56

3.4.1 Cấu trúc CRLH TLs đồng nhất lý tưởng 57

3.4.2 Lý thuyết anten bước sóng vô hạn trên cấu trúc chu kỳ 68

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ ANTEN TỰ CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ SỬ DỤNG CÁC BỘ CHUYỂN MẠCH RF - MEMS 71

4.1 Anten khe vi dải tự cấu hình tần số 71

4.1.1 Thiết kế 71

4.1.2 Kết quả mô phỏng 74

4.2 Anten vi dải tự cấu hình về sự phân cực của trường bức xạ 79

4.2.1 Thiết kế anten tự cấu hình về phân cực ở tần số 2.6GHz 79

4.2.2 Kết quả mô phỏng 80

4.3 Kết luận 85

KẾT LUẬN CHUNG 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phổ vô tuyến từ tần số 3KHz đến 300GHz 5

Hình 1.2:Phổ vô tuyến được cấp cho các hệ thống thông tin và dịch vụ truyền thông 5

Hình 1.3:Hiệu suất sử dụng dải tần số 6

Hình 1.4: Khái niệm hố phổ rỗi hình thành lên ý tưởng về vô tuyến thông minh 8

Hình 1.5: Mô hình vô tuyến nhận thức điển hình trên cơ sở SDR 9

Hình 1.6: Sơ đồ khối của cảm biến phổ 11

Hình 1.7: Bộ thu phát CR 21

Hình 1.8: Băng rộng RF / kiến trức analog front-end 21

Hình 1.9: Mối quan hệ giữa các thành phần IEEE SCC 41 24

Hình1.10: Kết cấu siêu khung trong chuẩn IEEE 802.22 25

Hình1.11: Kết cấu một khung IEEE 802.22 25

Hình1.12: Cơ chế cảm biến thô và tinh trong hệ thống IEEE 802.22 27

Hình 2.1 Anten tự cấu hình gồm các ô bức xạ được kết nối bởi các bộ chuyển mạch RF MEMS cấu hình mở 30

Hình 2.2 Cấu hình của anten hoạt động ở 2 tần số khác nhau 31

Hình 2.3 Anten Yagi tự cấu hình 31

Hình 2.4 Anten nhiều phần với các bộ chuyển mạch được sử dụng để thay đổi chiều dài đoạn xoắn ốc 32

Hình 2.5 Anten hai băng tần cho hệ thống vô tuyến nhận thức 32

Hình 2.6 Anten hai băng tần sử dụng RF MEMS 33

Hình 2.7 Anten khe hình vành khăn sử dụng PIN diode 33

Hình 2.8 Anten PIFA sử dụng diode biến dung 34

Hình 2.9 Anten có thể được uốn cong nhờ từ trường ngoài 35

Hình 2.10 Anten với vị trí tiếp điện có thể thay đổi 35

Hình 2.11 Anten với mạch tiếp điện cấu hình lại được 36

Hình 2.12 Cấu trúc anten với các khe 37

Hình 2.13 Hệ số VSWR cho 3 vị trí khác nhau của khe 37

Hình 2.14 Mặt trước và sau của mẫu anten 38

Hình 2.15 Vị trí của các khe trên khối trụ 38

Hình 2.16 So sánh giữa kết quả mô phỏng và đo đạc của tổn hao ngược 38

Hình 2.17 Cấu trúc anten dạng hình sao 39

Hình 2.18 Vị trí các bộ chuyển mạch 40

Hình 2.19 Mặt phẳng E và H với tất các bộ chuyển mạch hở ở 2.8GHz 40

Hình 2.20 Mặt phẳng E và H với tất các bộ chuyển mạch đóng ở 2.8GHz 40

Hình 2.21 So sánh suy hao ngược với các cấu hình khác nhau của anten 41

Hình 3.1 a) Biểu diễn chiều của vecto Poynting S và vecto sóng k của vật liệu 43

thông thường 43

b) Biểu diễn chiều của vecto Poynting S và vecto sóng k của loại vật liệu mới 44

Hình 3.1c) Mô tả hướng của vecto Poynting S và vecto sóng k trong cả 2 vật liệu 44 Hình 3.2 Các tia sáng khả dĩ khi đi qua bờ phân cách 44

Hình 3.3 Hệ toạ độ (ε, µ ) 45

Hình 3.4a Mô hình vật liệu plasma điện 46

Hình 3.4b Mô hình vật liệu plasma từ 47

Hình 3.5 a) Hiệu ứng Doppler (Δω > 0) 48

b) Hiệu ứng Doppler ngược (Δω < 0) 48

Hình 3.6 Đường đi của các tia khi đi qua bờ phân cách 2 vật liệu 49

Hình 3.7 a) Cả 2 vật liệu là RH [5] 50

b) Vật liệu 1 là RH và vật liệu 2 là LH 50

Hình 3.8 Điều kiện bờ giữa vật liệu thường và LH media 51

Hình 3.9a) Hiệu ứng Goos - Hanchen ở 2 vật liệu RH 52

Hình 3.9b) Hiệu ứng Goos-Hanchen bị đảo ngược ở vật liệu RH/LH 53

Hình 3.10 a) Thấu kính LH lồi là phân kỳ thì thấu kính RH lồi là hội tụ 54

Hình 3.11 Dạng đường truyền tín hiệu dọc theo trục z 57

Hình 3.12 Cấu trúc CRLH TL không tổn hao 58

Hình 3.13 Cấu trúc CRLH TL dạng bậc thang chu kỳ 63

Hình 3.14 a) Cấu trúc cell đơn vị của CRLH TL chưa cân bằng 64

b) Cấu trúc cell đơn vị của CRLH TL cân bằng 64

Hình 3.15 Sự tương đương giữa mạng cầu thang chu kỳ với TL lý tưởng 65

Hình 3.16 CRLH sử dụng điện dung đan xen và điện cảm nối tắt với đất 66

Hình 3.17 Mặt trên của mẫu với 24 cell đơn vị 67

Hình 3.18 a) kết quả của mẫu có 9 cell trường hợp cân bằng 67

b) kết quả của mẫu có 7 cell trường hợp không cân bằng 67

Hình 3.19 Đồ thị phân tán của CRLH TL 68

Hình 3.20 Mật độ dòng từ tương đương M s của anten nửa sóng 70

Hình 3.21 Mật độ dòng từ tương đương M s của anten bước sóng vô hạn 70

Hình 4.1 Cấu trúc anten 72

Hình 4.2 Mô hình mô phỏng với bộ chuyển mạch lý tưởng 73

Hình 4.3 Mô hình mô phỏng với các bộ chuyển mạch mô hình đơn giản 73

Hình 4.4 Mô hình mô phỏng với các phần tử điện tập trung 73

Hình 4.5 Hệ số S11 tương ứng với các mô hình mô phỏng của anten với các bộ chuyển mạch ở trạng thái A (tần số cộng hưởng 1.55 GHz) 74

Hình 4.6 Đồ thị bức xạ tần số 1.55 GHz tương ứng với các mô hình mô phỏng của anten với các bộ chuyển mạch ở trạng thái A 75

Hình 4.7 Hệ sô S11 tương ứng với các mô hình mô phỏng của anten với các bộ chuyển mạch ở trạng thái B (tần số cộng hưởng 1.9 GHz) 75

Hình 4.8 Đồ thị bức xạ tần số 1.9 GHz tương ứng với các mô hình mô phỏng của

anten với các bộ chuyển mạch ở trạng thái B (tần số cộng hưởng 1.9 GHz) 76

Hình 4.9 Hệ số S11 tương ứng với các mô hình mô phỏng của anten với các bộ chuyển mạch ở trạng thái C (tần số cộng hưởng 2.0 GHz) 76

Hình 4.10 Đồ thị bức xạ tần số 2.0 GHz tương ứng với các mô hình mô phỏng của anten với các bộ chuyển mạch ở trạng thái C 77

Hình 4.11 Hệ sô S11 tương ứng với các mô hình mô phỏng của anten với các bộ chuyển mạch ở trạng thái D (tần số cộng hưởng 2.4, 5.5 GHz) 77

Hình 4.12 Đồ thị bức xạ tần số 2.4 GHz tương ứng với các mô hình mô phỏng của anten với các bộ chuyển mạch ở trạng thái D 78

Hình 4.13 Đồ thị bức xạ tần số 5.5 GHz tương ứng với các mô hình mô phỏng của anten với các bộ chuyển mạch ở trạng thái D 78

Hình 4.14 Các cấu hình của anten 80

Hình 4.15 Kết quả mô phỏng của 2 cấu hình cho S11 như nhau 80

Hình 4.16 Trường bức xạ của hai cấu hình 81

Hình 4.17 Tỉ lệ trục 82

Hình 4.18 Độ phân cực trái 83

Hình 4.19 Độ phân cực phải 84

Hình 4.20 Độ phân cực của búp sóng chính theo tần số 85

Hình 4.21 Độ phân cực của búp sóng chính theo tần số 85

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong các hệ thống thông tin liên lạc ngày nay, các thiết bị di động ngày càng được thu nhỏ về kích thước, nhưng đồng thời cũng được tích hợp ngày càng nhiều chức năng phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau Việc phát triển các anten kết hợp nhiều chức năng, thuộc tích bức xạ khác nhau sẽ góp phần giảm nhỏ kích thước cho các thiết bị di động này Anten tự cấu hình với khả năng hiệu chỉnh tần số bức xạ, thay đổi sự phân cực và điều chỉnh mẫu bức xạ, đã được nghiên cứu phát triển, sự đa dạng của chúng đã tạo ra một tầm nhìn mới cho các loại ứng dụng khác nhau đặc biệt là trong vô tuyến nhận thức, các hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra, các vệ tinh, và nhiều ứng dụng khác

Cho đến nay, các anten tự cấu hình đã được làm bằng nhiều kỹ thuật khác nhau Kỹ thuật thông dụng nhất được dùng là tập trung quanh kỹ thuật chuyển mạch Bằng việc kết hợp các bộ chuyển mạch có độ cách ly cao, suy hao thấp như

là các bộ chuyển mạch MEMS hoặc PIN diode với các thành phần anten tương thích, chúng ta có thể cấu hình lại anten và cấu trúc tiếp điện của anten, cung cấp tính đa dạng phân cực và tần số Các kỹ thuật khác như là sự kết hợp của diode biến dung và sự thay đổi cơ cấu vật lý để vượt qua những khó khăn phải đối mặt trong việc sử dụng bộ chuyển mạch và điều khiển chúng

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Tìm hiểu về công nghệ thông tin vô tuyến nhận thức, anten tự cấu hình, vật liệu metamaterial, thiết kế được anten tự cấu hình theo tần số trong dải tần từ 2-8

GHz cho hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu:

+ Công nghệ thông tin vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive Radio)

+ Anten tự cấu hình theo tần số và ứng dụng

+ Vật liệu Metamaterial

+ Thiết kế anten tự cấu hình theo tần số trong dải tần từ 2-8 GHz, anten tự cấu hình theo tần số sử dụng nguyên lý siêu vật liệu

Phạm vi nghiên cứu: Các giáo trình, bài báo, kết quả nghiên cứu đã công bố

về công nghệ thông tin vô tuyến nhận thức, anten tự cấu hình, vật liệu Metamaterial

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu dựa trên cơ sở:

- Lý thuyết cơ bản của công nghệ thông tin vô tuyến nhận thức (CR)

- Chủ yếu sử dụng các phương pháp nghiên cứu định tính, phân tích các đặc tính kỹ thuật của các loại anten tự cấu hình đã có Từ đó có được khái niệm và phương pháp chung về thiết kế kế anten tự cấu hình

5 Bố cục luận văn

Tên luận văn: “Thiết kế, mô phỏng anten tự cấu hình theo tần số sử dụng

nguyên lý siêu vật liệu” Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn bao gồm bốn

chương:

Chương 1: Công nghệ thông tin vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive Radio) Chương 2: Anten tự cấu hình theo tần số và ứng dụng

Chương 3: Vật liệu Metamaterial

Chương 4: Thiết kế anten tự cấu hình theo tần số sử dụng các bộ chuyển mạch RF-MEMS

Em xin b à y t ỏ l ò n g k í n h t r ọ ng v à gửi lời cảm ơn chân thành tới

PGS.TS Vũ Văn Yêm, người Thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ,

tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Em xin được g ử i l ời cảm ơn t ới các thầy, cô trong Viện Điện tử - Viễn thông đã trang bị kiến thức, cùng các bạn ở lớp Kỹ thuật Viễn thông 2015A NĐ

đã tạo điều kiện giúp đỡ, chỉ bảo và cho em những góp ý vô cùng quý báu

Em xin trân trọng cảm ơn !

TÓM TẮT

Mục đích của luận văn là tìm hiểu về công nghệ anten tự cấu hình, vật liệu metamaterial, công nghệ thông tin vô tuyến nhận thức từ đó đề xuất thiết kế mô phỏng về anten tự cấu hình theo tần số sử dụng nguyên lý siêu vật liệu Luận văn được trình bày thành 4 chương, ba chương đầu là lý thuyết cơ sở thiết kế, chương thứ tư là phần thiết kế mô phỏng hai mẫu anten, một mẫu tự cấu hình về tần số, một mẫu tự cấu hình về sự phân cực Chương I giới thiệu chung về Công nghệ thông tin

vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive Radio), Chương II tìm hiểu về Anten tự cấu hình theo tần số và ứng dụng Chương III trình bày cơ sở về Vật liệu Metamaterial, Chương IV thiết kế anten tự cấu hình theo tần số sử dụng các bộ chuyển mạch RF - MEMS Cuối cùng là kết luận chung của luận văn

II explores the frequency and application self-configuring antennas Chapter III covers the basics of Metamaterial Materials, Chapter IV designs the frequency self-configuring antennas using RF-MEMS switches Finally, the general conclusion of the thesis

CHƯƠNG I CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

VÔ TUYẾN NHẬN THỨC (CR: Cognitive Radio)

1.1 Giới thiệu chung

Nhu cầu của thông tin không dây ngày càng phát triển kéo theo nhu cầu cải thiện chất lượng về lưu lượng, tính tin cậy, dịch vụ Vì vậy mà số lượng thiết bị dựa vào các chuẩn không dây và công nghệ sẽ ngày càng gia tăng trong tương lai Nhưng một vấn đề quan trọng khác lại nảy sinh là phổ tần số của thông tin không dây Trong khi tài nguyên phổ là có hạn thì sự phát triển ở trên sẽ dẫn tới tình trạng khan hiếm phổ Do vậy nếu giải quyết được vấn đề này chúng ta có thể phát triển xa hơn thị trường viễn thông cũng như tìm ra được một chuẩn thực chất cho hệ thống thông tin trong tương lai

1.1.1 Truy cập phổ vô tuyến

Phổ vô tuyến hiện nay được quản lý bởi các cơ quan quản lý phổ của quốc gia Phần lớn phổ dành cho các dịch vụ vô tuyến được cấp phép Truy cập mở đối với hầu hết phổ chỉ được cho phép với công suất truyền rất nhỏ

Phổ vô tuyến dành cho băng tần không cần cấp phép chỉ chiếm một phần nhỏ Bởi vì phần phổ này rất nhỏ nên sẽ không sẵn có cho các phổ không cần cấp phép mới Sự chuyển đổi từ phổ được cấp phép sang phổ không cần cấp phép thực

sự khó khăn và mất thời gian dài, nó đòi hỏi sự kết hợp giữa các tổ chức quản lý phổ chính phủ, nhà phát triển công nghệ, nhà cung cấp dịch vụ

Vài chục năm trở lại đây, nhiều chuẩn không dây, công nghệ và dịch vụ mới cho phổ không phép đã ra đời Trong đó phổ biến là IEEE 802.11 WLAN, Wi-Fi và IEEE 802.15 WPANs Hệ thống ứng dụng không dây trong phổ không phép này rất thành công về thương mại Ngày càng nhiều hệ thống vô tuyến sử dụng khoảng phổ này, chứng tỏ rằng nó có thể hữu dụng để thay đổi cách quản lý phổ hiện tại nhằm hướng tới truy cập phổ mở và linh hoạt tạo nên sự phát triển đầy hứa hẹn về số lượng thiết bị vô tuyến dựa trên các chuẩn không dây

1.1.2 Vấn đề khan hiếm phổ và hiệu suất sử dụng phổ

Phổ vô tuyến là tài nguyên có hạn, chỉ khoảng tần số điện từ giữa 3KHz và 300GHz Hình 1.1 minh họa khoảng tần số mà thường để chỉ phổ tần số Hầu hết các hệ thống thông tin vô tuyến hiện nay yêu cầu bảo vệ chặt chẽ chống lại nhiễu từ các hê thống vô tuyến khác Phần lớn phổ vô tuyến được cấp cho các hệ thống thông tin và dịch vụ truyền thông xác định trong hình 1.2

Hình 1.1: Phổ vô tuyến từ tần số 3KHz đến 300GHz

Tuy nhiên, tài nguyên phổ lại bị lãng phí bởi nhiều lý do:

- Sự thất bại về thương mại của các dịch vụ và hệ thống vô tuyến cấp phép có thể dẫn đến phổ không sử dụng dẫn đến lãng phí tài nguyên phổ Ví dụ, WiMax xuất hiện nhưng không thành công Phổ WiMax đã được xác định và cấp phép ở nhiều nước, nhưng lại không được sử dụng trên diện rộng

- Hệ thống vô tuyến của quân đội, công an yêu cầu phổ riêng cho hệ thống mà chủ yếu hoạt động khi có biến cố, do vậy thêm phần lãng phí tài nguyên phổ

- Sự phát triển công nghệ dẫn đến sự cải thiện hiệu suất phổ trong hệ thống thông tin cấp phép hiện tại Do đó sẽ yêu cầu ít phổ hơn để cung cấp cùng một dịch vụ

Hình 1.2:Phổ vô tuyến được cấp cho các hệ thống thông tin và dịch vụ truyền

thông

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

Ngày nay sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung và lĩnh vực điện tử - viễn thông nói riêng, dải tần số đang dần trở nên chật hẹp bởi sự gia tăng số lượng các hệ thống vô tuyến cũng như các chuẩn giao tiếp như FM, AM, TV, Mobile network, Wifi, Wimax Có điều nghịch lí là mặc dù phổ tần số đang ngày càng chật hẹp thì hiệu suất sử dụng tài nguyên tần số lại rất thấp Hiệu suất này thay đổi dựa vào đặc điểm hệ thống mạng viễn thông ở từng vùng địa lí (mạng dày đặc hay thưa thớt) và thời điểm sử dụng (giờ cao điểm hay bình thường)

Hình 1.3:Hiệu suất sử dụng dải tần số.[2]

Dựa vào phổ tần số và bảng số liệu về hiệu suất sử dụng tần số, ta có thể thấy rằng bên cạnh những khoảng tần số được sử dụng khá hiệu quả (0-2 Ghz) thì vẫn có những khoảng tần số được sử dụng ít hoặc không sử dụng (3-5 Ghz) Người ta định nghĩa những khoảng tần số không được sử dụng này là khoảng trắng (white space or spectrum hole) Vấn đề đặt ra là làm sao tận dụng được những khoảng trắng này nhằm tăng hiệu suất sử dụng tần số cũng như giải quyết được vấn đề chật hẹp của dải tần số hiện nay Khó khăn ở chỗ những khoảng trắng này không cố định mà thay đổi liên tục ứng với sự thay đổi của hiệu suất sử dụng mà nguyên nhân đã được nêu

ở trên Do vậy nhu cầu bức thiết đặt ra đối với chúng ta là cho ra đời một hệ thống

vô tuyến thông minh có khả năng sử dụng những khoảng trắng trong dải tần số Sự

ra đời của hệ thống này sẽ giải quyết được những khó khăn trong việc sử dụng tài nguyên tần số

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

đã đề cập ở trên Vô tuyến nhận thức không chỉ là công nghệ vô tuyến mới mà còn chứa những thay đổi mang tính cách mạng trong việc quản lý phổ, được thiết kế để

sử dụng và chia sẻ linh hoạt phổ mà không ảnh hưởng hệ thống vô tuyến cấp phép

Các hệ thống vô tuyến nhận thức có thể tự động phối hợp trong việc sử dụng phổ Chúng xác định phổ khi nó không được sử dụng bởi hệ thống vô tuyến cấp phép và sử dụng phổ này theo cách thông minh dựa vào việc quan sát phổ

Hệ thống vô tuyến mới cần khả năng thông minh để đáp ứng chất lượng dịch

vụ (QoS) khi chia sẻ phổ với hệ thống vô tuyến khác và khi xuất hiện hệ thống mà không có khả năng cùng tồn tại Hệ thống và mạng vô tuyến nhận thức của tương lai sẽ tự động kết hợp để đạt yêu cầu QoS trong trường hợp chia sẻ phổ, ví dụ như xuất hiện hệ thống khác, khả năng tranh chấp,

Đầu tiên, cần phải cải tiến ngay từ việc quản lý phổ tần số Người được cấp phép sử dụng dải tần số được gọi là primary user (PU) hay còn gọi là licenced user

và chỉ được phép sử dụng dải tần đó cũng như các người sử dụng khác không được phép sử dụng dải tần này Cách quản lý tần số này cứng nhắc và rất khó để giải quyết những vấn đề đã nêu ở trên FCC đã đưa ra chuẩn IEEE 802.22 dùng cho WRAN (Wireless Regional Area Network) cho phép secondary user (SU) hay còn gọi là unlicenced user sử dụng những khoảng trắng trong dải tần số Tháng 5/2004 FCC chính thức tái sử dụng băng tần TiVi và SU được phép sử dụng băng tần này Tuy nhiên yêu cầu đặt ra là hoạt động của SU không được ảnh hưởng đến PU cũng như bất cứ lúc nào PU muốn sử dụng lại khoảng tần số trống thì SU đều phải nhường và chuyển sang tìm khoảng trắng khác Do vậy, một hệ thống vô tuyến nhận thức có khả năng cảm biến khoảng trắng cũng như khả năng thay đổi linh hoạt mới có thể giải quyết khó khăn này

1.2 Hệ thống vô tuyến nhận thức

1.2.1 Khái niệm vô tuyến nhận thức

Hệ thống 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) trên cơ sở tương tác với môi trường hoạt động Theo đó, thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDR (Sotware Defined Radio) sẽ là một phần tử quan trọng trong hệ thống vô tuyến nhận thức Vì các tham

số của thiết bị SDR được thay đổi một cách linh động bằng phần mềm mà không cần phải thay đổi cấu trúc phần cứng 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 can nhiễu đến các hệ thống vô tuyến có quyền ưu tiên cao hơn hoạt động trên dải tần đó Vô tuyến nhận thức phải có những tính năng cơ bản sau:

- Điều chỉnh tần số hoạt động của hệ thống một cách tức thì từ băng tần này đến một băng tần khác còn trống trên dải tần cho phép

- Thiết lập mạng thông tin 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 môi trường vô tuyến, mà ở đó tồn tại nhiều loại 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 thông lượng tốt nhất có thể

- Tạo búp sóng và điều khiển búp sóng thích ứng theo đối tượng truyền thông nhằm giảm thiểu nhiễu đồng kênh và tối đa cường độ tín hiệu thu

Hình 1.4: Khái niệm hố phổ rỗi hình thành lên ý tưởng về vô tuyến thông

minh[2]

1.2.2 Mô hình vô tuyến nhận thức dựa trên SDR

Mô hình vô tuyến thông minh điển hình trên cơ sở SDR như hình 1.5 Có các chức năng và các đặc tính cơ bản như sau:

- Khối anten dải rộng (Wideband antenna) hoạt động trên toàn bộ băng tần vô tuyến thông minh (dải tần này rất rộng) Để tận dụng triệt để tài nguyên phổ tần vô tuyến còn trống một cách tức thì, anten dải rộng phải có khả năng quét tần số rất rộng sao cho có thể phát hiện được hầu hết những thay đổi của môi trường (thời gian, không

sử dụng của các dải tần số đã cấp phép)

- Khối duplexer được dùng để định hướng (phân bổ) tín hiệu cho các anten, hay nói cách khác nó phân cách tín hiệu thu và phát tín hiệu phát

Hình 1.5: Mô hình vô tuyến nhận thức điển hình trên cơ sở SDR[2]

- Khối lựa chọn tần số động DFS (Dynamic Frequency Selection) là quá trình lựa chọn tần số tự động được dùng trong vô tuyến nhận thức để tránh gây nhiễu đến các

hệ thống vô tuyến khác có quyền ưu tiên cao hơn khi hoạt động ở cùng băng tần

- Khối vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm SDR (Software Defined Radio) hoạt động đồng thời trong module thu Mỗi khối SDR được điều khiển để hoạt động trong một dải tần nhất định thông qua phần mềm mà không phải thay đổi cấu trúc phần cứng Việc sử dụng nhiều module SDR song song thay vì chỉ một module SDR duy nhất là để giảm độ phức tạp của thiết bị SDR Số liệu đầu ra của khối

SDR được đưa vào cùng một khối chức năng, khối này thực hiện quyết định tối ưu dựa trên những thông tin từ các SDR thành phần, trong đó thực hiện lựa chọn và kết hợp giữa các luồng thông tin sau tách sóng để tái tạo luồng thông tin cũng như các tín hiệu điều khiển các tham số phần phát

- Khối cảm biến môi trường IPD (incumbent profile detection) phát hiện sự hiện hữu của thiết bị vô tuyến có quyền ưu tiên cao hơn dựa trên các thông tin về: sơ đồ phân bố phổ tần, thời điểm chiếm dụng phổ tần của các thiết bị vô tuyến được cấp phép và tập tham số công suất phát

- Khối tổng hợp tần số thích ứng ở phía phát có nhiệm vụ tạo ra tần số sóng mang tham khảo chuẩn một cách chính xác phục vụ cho quá trình điều chế cao tần và chuyển đổi băng tần Dựa trên các thông số cho phép xác định chính xác mức công suất phát nhằm đảm bảo không gây nhiễu đến các thiết bị vô tuyến khác

- Khối điều khiển công suất phát TPC (Transmit Power control) cho phép thích ứng mức công suất phát theo sự thay đổi tần số làm việc của thiết bị vô tuyến nhận thức

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

Để phát hiện 1 tín hiệu nằm trong dải băng thông B biết trước, ta có thể thử đặt vấn đề về giả thiết như sau :

 H1 thể hiện cho sự có mặt của tín hiệu, tức là tín hiệu nhận được x(n) gồm 1 tín hiệu sơ cấp S(n) cộng với nhiễu v(n)

 n tương ứng tới số lần lấy mẫu

Trong 4 chức năng của CR là cảm biến phổ, quản lý phổ, sử dụng phổ linh hoạt

và chia sẻ phổ thì cảm biến phổ là chức năng đầu tiên và có vai trò quan trọng trong toàn bộ hệ thống của CR Cảm biến phổ sử dụng các phương pháp xử lí tín hiệu thu được để đưa ra quyết định về dải tần số đang quan sát là trống hay là có xuất hiện tín hiệu PU Đây là chức năng quan trọng nhất bởi vì nó ảnh hưởng lớn đến quyết định sử dụng hay không sử dụng dải tần số đang quan sát Mạng CR cần dựa vào các điều kiện của môi trường để có thể cảm biến được dải phổ thích hợp, qua đó đưa ra quyết định chính xác về việc sử dụng dải phổ nào để không gây ảnh hưởng đến PU

Trong hệ thống CR có thể chia cảm biến phổ ra làm 2 loại chính sau:

 Occupancy sensing (cảm biến sự chiếm giữ phổ): phát hiện sự chiếm giữ phổ trong khu vực lân cận, qua đó xác định được dải phổ nào đang trống (white spaces) hoặc đang ở dưới mức sử dụng (gray spaces)

 Identity sensing (cảm biến các đặc trưng): phân biệt được dải phổ đang bị chiếm giữ bởi primary user hay là đang bị chiếm giữ bởi một CR user khác Điều này đặc biệt quan trọng đối với môi trường CR có nhiều user, khi đó white space phải được chia sẻ cho nhiều user

Ta có sơ đồ khối của các phương pháp trong quá trình cảm biến phổ :

Hình 1.6: Sơ đồ khối của cảm biến phổ.[2]

Như vậy phương pháp cảm biến có thể được chia làm 2 loại: energy-based detection và feature-based detection

Cả 2 phương pháp này đều có những ưu điểm và nhược điểm Bởi vì đa số

CR thường có ít thông tin về tín hiệu của PU nên việc sử dụng energy-based detection là điều tất yếu, chỉ khi nào CR có đủ thông tin cần thiết nó mới có thể sử dụng feature-based detection Đối với SNR cao thì 2 phương pháp tương tự nhau nhưng đối với SNR thấp thì chỉ có cyclostationary feature detection là có khả năng hoạt đông tốt với xác suất phát hiện cao Dựa vào những ưu nhược điểm, người ta

có thể kết hợp cả 2 phương pháp này với nhau để có thể bổ sung cho nhau Một CR spectrum sensing có thể chia làm 2 bước: cảm biến thô (coarse sensing) và cảm biến tinh (fine sensing)

Coarse sensing hướng tới kỹ thuật energy-based detection Nó có thể dò tìm nhanh chóng và khái quát dải băng tần phổ và xác định một số spectrum holes có khả năng sử dụng được Sau đó spectrum holes sẽ được xử lí bước thứ 2 là sử dụng fine sensing Nó được thực hiện dựa vào kỹ thuật feature-based detection

Cảm biến phổ trong lớp vật lý có 2 yêu cầu cơ bản đó là: độ tin cậy của quá trình cảm biến và thời gian cảm biến

Chất lượng của quá trình cảm biến là khả năng phát hiện thành công tín hiệu của

PU Quá trình phát hiện được đánh giá là không chất lượng khi chúng ta không phát hiện được tín hiệu PU hoặc nhầm tín hiệu PU với nhiễu của môi trường

Thời gian cảm biến để phát hiện tín hiệu được yêu cầu càng nhỏ càng tốt để

có thể nhanh chóng phát hiện ra PU và thực hiện những nhiệm vụ tiếp theo Tuy nhiên, để việc cảm biến đạt kết quả tốt hơn thì chúng ta cần phải sử dụng những giải thuật DSP phức tạp Điều này đòi hỏi chúng ta phải tốn thời gian để cảm biến Do

đó, một bộ phát hiện đáng tin cậy có chất lượng tốt thì nó phải tốn thời gian nhiều hơn để đưa ra được kết quả như mong đợi

❖ Thách thức từ việc cảm biến băng tần trống

 Ước tính mức độ can nhiễu:

Khó khăn của mô hình tách dựa trên bộ thu là hiệu quả của việc tính toán mức

độ can nhiễu Một thiết bị CR có thể nhận thức được mức độ công suất truyền và vị

trí chính xác của nó thông qua sự giúp đỡ của hệ thống định vị Với khả năng này, thì nó lại có thể gây ra ảnh hưởng can nhiễu lên các hàng xóm của nó tại cùng dải tần số Tuy nhiên thực tế thì vẫn chưa có cách nào cho CR có thể ước tính chính xác mức độ can nhiễu tại thiết bị Primary kế cận Một thách thức quan trọng khác là xác định giới hạn can nhiễu, một khi mà thiết bị CR cố gắng điều khiển truyển dẫn của

nó theo giới hạn này thì việc ra đời một mô hình cho việc xác định giới hạn can nhiễu là cần thiết Tuy nhiên, giá trị tối ưu của giới hạn này phụ thuộc vào mật độ

và đặc tính lưu lượng của mạng Primary Hơn nữa, đặc tính của lớp vật lý cũng như hình thức điều chế, công suất phát và dải tần số cũng ảnh hưởng đến giới hạn này

 Cảm biến băng tần trống trong một mạng đa user

Ta thấy thông thường mạng CR có thể cùng tồn tại trong một môi trường nhiều thiết bị CR và Primary, khiến nó khó khăn hơn để thực hiện dò tìm thiết bị Primary

và thực hiện ước tính chính xác nhiễu thực sự Do ảnh hưởng truyền dẫn của các thiết bị CR khác mà gây ra ảnh hưởng đến một CR đang cố gắng dò tìm tín hiệu của Primary Vì thế, hàm dò tìm phổ nên được phát triển để có thể dò tìm tốt hơn trong môi trường đa user Để giải quyết tốt hơn vấn đề này chúng ta có thể xem xét đến

Giải pháp mạng trung tâm tập trung vào việc lựa chọn thông tin hiệu quả từ nhiều thiết bị dò tìm và định vị phổ tối ưu cho các user Kiến trúc phân bố dẫn đến việc thông tin dò tìm được chuyển đổi tuần hoàn giữa các thiết bị CR

Đối với các thiết bị Primary, các thiết bị CR có thể được xem là đã nghe lén kênh truyền khi mà thông tin trong mạng primary đang trao đổi Tuy nhiên, kỹ thuật

dò tìm phổ tần số cần phải biết được có hay không sự hiện diện của thiết bị Primary

Do đó, kỹ thuật dò tìm phổ tần số phải được thiết kế để chúng chỉ có thể biết được

sự hiện của các thiết bị trong mạng Primary mà không đọc được nội dung của thông tin đang truyền đi

 Tính an toàn và độ tin cậy dò tìm vùng phổ tần số:

Đối với các thiết bị mạng Primary thì các thiết bị CR là những kẻ nghe lén, do

đó để bảo đảm tính riêng tư của các thiết bị mạng Primary thì kỹ thuật CR cần phải được thiết kế cẩn thận tránh rò rỉ thông tin trong mạng primary

Với một băng phổ tần hiện có thì thách thức đầu tiên cho các thiết bị CR là độ tin cậy khi dò tìm ra sự hiện diện của tín hiệu Primary để hạn chế đến mức thấp nhất

sự can nhiễu cho các mạng đang tồn tại Nhất là khi mà tín hiệu xuất hiện trong môi trường nhiều fading hay shadowning thì rất khó khăn cho việc phân biệt giữa một phổ trắng và tín hiệu có biên độ yếu do kênh truyền xấu

1.2.3.2 Quản lý phổ

Trong mạng CR, băng tần phổ vô tuyến không sử dụng sẽ được trải trong khoảng tần số rộng bao gồm phổ cấp phép và phổ không phép Việc phát hiện những phổ không sử dụng này thông qua cảm biến phổ Hệ thống vô tuyến nhận thức sẽ phải quyết định phổ tốt nhất đáp ứng được yêu cầu QoS trong số những phổ sẵn có Vì vậy hệ thống đòi hỏi phải có chức năng quản lý phổ Chúng ta sẽ bàn về hai chức năng của quản lý phổ là: phân tích phổ và quyết định phổ Trong khi cảm biến phổ nằm ở lớp vật lí thì phân tích phổ và quyết định phổ lại nằm ở lớp cao hơn

a, Phân tích phổ

Trong mạng vô tuyến CR, các khoảng phổ trống thường thay đổi theo thời gian Vì người sử dụng được trang bị với vô tuyến nhận thức dựa vào lớp vật lí, nên thật quan trọng để hiểu các đặc điểm của các phổ khác nhau Nhờ có phân tích phổ,

hệ thống dễ dàng lựa chọn phổ mà đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng

Để mô tả được bản chất động của mạng thế hệ mới, mỗi phổ trống nên được đặc trưng hóa không chỉ môi trường vô tuyến thay đổi theo thời gian mà còn hoạt động

của PU và thông tin phổ như tần số hoạt động và băng thông Vì vậy, cần thiết để xác định các thông số như mức độ nhiễu, tốc độ lỗi kênh truyền, suy hao mà có thể đại diện cho chất lượng của một băng tần phổ Cụ thể là:

khác Vì vậy, phổ được dùng để xác định đặc trưng nhiễu của kênh truyền Từ số lượng nhiễu tại bộ nhận sơ cấp (PR), công suất cho phép của người dùng CR có thể được rút ra, từ đó có thể sử dụng để ước lượng dung lượng kênh truyền

 Suy hao: Suy hao sẽ gia tăng khi tần số hoạt động tăng Vì vậy, nếu công suất truyền của người dùng CR vẫn không đổi thì khoảng truyền của nó sẽ giảm ở tần số cao hơn Tương tự, nếu công suất truyền tăng để bù cho suy hao tăng thì kết quả sẽ gây nhiễu cho người dùng khác

 Lỗi liên kết không dây: phụ thuộc vào cách điều chế và mức nhiễu của băng tần phổ, tốc độ lỗi của kênh truyền sẽ thay đổi

 Trì hoãn lớp liên kết: để xác định suy hao, lỗi liên kết không dây và nhiễu xuyên kênh thì có nhiều loại giao thức liên kết được yêu cầu tại những dải phổ khác nhau Điều này dẫn đến sự trì hoãn của các gói truyền dẫn trong các lớp liên kết khác nhau

lượng kênh truyền của hệ thống CR Thời gian giữ là khoảng thời gian mong đợi để một user trong hệ thống CR chiếm giữ 1 dãi tần số đã được đăng kí trước khi bị ngắt đi Rõ ràng, thời gian chiếm giữ càng lâu thì chất lượng càng tốt

Dung lượng kênh truyền có thể được rút lại từ những thông số đã được giải thích

ở trên, dung lượng kênh truyền là chỉ số quan trọng nhất trong các đặc trưng của phổ Thông thường, tỉ số SNR tại bộ nhận được dùng cho việc ước lượng dung lượng Tuy nhiên, vì tỉ số SNR dường như chỉ là sự theo dõi của hệ thống CR, nó thì không đủ để tránh được nhiễu liên kênh của những PU Do đó, đặc trưng của phổ tín hiệu thì được tập trung vào sự ước lượng dung lượng của kênh truyền, dựa vào nhiễu liên kênh tại những bộ nhận đã được đăng ký Giới hạn nhiễu liên kênh thì chỉ cho ta biết cận trên hay đỉnh của năng lượng RF mà nó có thể được giới thiệu cho hệ thống CR có thể sử dụng những khoảng tần số trên

Một phương pháp ước lượng dung lượng phổ dựa vào băng thông và công suất truyền cho phép Theo đó, dung lượng phổ được tính như sau:

C = B log2 (1 + ) Trong đó B là băng thông, S là công suất tín hiệu nhận từ CR user, N là công suất nhiễu của bộ nhận, và I là công suất nhiễu xuyên kênh tại bộ nhận CR bị gây ra bởi sự truyền dẫn của PU

Ngoài ra, việc tính toán dung lượng của phổ cũng được đề cập đến trong hệ thống vô tuyến nhận thức OFDM Theo đó, dung lượng phổ của mạng CR dựa vào OFDM được tính theo:

C = với Ω là tập hợp của các vùng phổ không sử dụng, G(f) là công suất khuyếch đại tại tần số f, S0 và N0 là công suất của tín hiệu và nhiễu trên một đơn vị tần số

b, Quyết định phổ

Dải phổ hoạt động thích hợp nên được thêm vào hệ thống truyền dẫn hiện tại thoả mãn các yêu cầu của QoS và các đặc trưng của phổ Vì vậy, hệ thống quản lý phổ có thể nhận biết được các yêu cầu của QoS Dựa trên những yêu cầu của người

sử dụng thì tốc độ của dữ liệu, tốc độ lỗi có thể chấp nhận được, giới hạn trễ, cách thức truyền dẫn tín hiệu và băng thông của sự truyền dẫn có thể xác định được Sau

đó, theo luật quy định, các thiết lập cho dải phổ tương thích cũng có thể được chọn

c, Những thử thách của việc quản lý phổ

 Hình thức quyết định

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR không đủ để đặc trưng cho hệ thống mạng CR Không chỉ có SNR mà còn có nhiều thông số đặc trưng khác của phổ ảnh hưởng tới chất lượng của việc quản lý phổ đã được nêu ở trên Do đó, làm thế nào để kết hợp tất cả các thông số đặc trưng này của phổ để quyết định kiểu phổ phù hợp thì vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu và thảo luận tuy nhiên, trong hệ thống OFDM mà dựa vào hệ thống CR, nhiều dải phổ có thể được sử dụng đồng thời trong quá trình truyền dẫn Từ những nguyên nhân đó khung công việc cho các dải phổ trên được xây dựng

 Sự quyết định nhiều dải phổ

Với hệ thống CR, nhiều dải phổ có thể được sử dụng đồng thời trong quá trình truyền dẫn Thêm nữa, hệ thống CR không yêu cầu các dải phổ đã được chọn phải liên tiếp nhau Vì vậy, người sử dụng trong hệ thống CR có thể gửi các gói dữ liệu thông qua những dải phổ không liên tiếp này Truyền dẫn phổ đa kênh này chỉ ra sự hạn chế chất lượng trong suốt quá trình chồng lấn phổ khi so sánh với sự truyền dẫn thông thường chỉ dùng có một kênh Hơn nữa, truyền dẫn đa kênh cho phép tín hiệu công suất thấp được sử dụng tại các dải băng Vì vậy,vô tình làm tăng thêm nhiễu cho tín hiệu PU Từ những lý do trên, công việc của hệ thống quản lý phổ phải hổ trợ cho khả năng quyết định hệ thống truyền dẫn phổ đa kênh

 Kết hợp để tái cấu hình

Kỹ thuật của hệ thống CR cho phép các thông số của sóng thay đổi, tái cấu hình lại để hệ thống có thể hoạt động tối ưu trong vùng trung tâm của dải phổ Ví dụ như, khi mà tỉ số SNR đã được xác lập thì tốc độ lỗi bit BER có thể được điều chỉnh để duy trì, bảo vệ dung lượng kênh truyền bằng cách sử dụng lợi thế của khả năng thích nghi của công nghệ Vì vậy, công việc của sự kết hợp này là bao gồm cả việc quyết định phổ và tái cấu hình lại

 Quyết định phổ dựa trên các băng tần phổ hỗn tạp, không đồng nhất

Tại trung tâm dải phổ thì luôn được gán cho những mục đích khác nhau, do đó, khoảng phổ được sử dụng bởi hệ thống CR thì gần như là sự kết hợp giữa phổ được đăng ký và phổ không được đăng ký Trong trường hợp phổ đã đăng ký thì người dùng trong hệ thống CR phải xét đến các hoạt động của máy PU trong phân tích phổ

và trong quyết định của mình để không ảnh hưởng tới sự truyền dẫn của máy PU Ngược lại, trong những dải băng chưa đăng ký, bởi vì tất cả các máy trong hệ thống

CR đều có quyền truy cập như nhau, chính vì vậy mà ta cần phải trang bị một hệ thống kỹ thuật tối tân để chia phổ cho hợp lý Tuy nhiên, để quyết định khoảng phổ tốt nhất thì cần phải qua môi trường phức tạp, do đó, hệ thống CR cần hổ trợ cho quyết định phổ trong cả dải băng đăng ký và dải băng không đăng ký

1.2.3.3 Linh động phổ

Mục đích của hệ thống CR là sử dụng phổ tần số theo cách thức động, có nghĩa là hệ thống CR sẽ tìm kiếm và hoạt động tại băng tần số tốt nhất Để tìm được những khoảng phổ trống tốt nhất thì hệ thống CR phải thu thập các khoảng phổ trống này Vì thế, sự linh động phổ (spectrum mobility) được định nghĩa như là một cách thức mà người dùng trong hệ thống CR có thể thay đổi tần số hoạt động

a, Chồng lấn phổ

Trong hệ thống CR, sự linh động phổ được thực hiện khi mà các điều kiện của kênh truyền trở nên xấu đi hay có sự xuất hiện của tín hiệu PU Sự linh động phổ sẽ tăng thêm các loại chồng phổ trong hệ thống CR và đó chính là mục đích của

sự chồng phổ Các giao thức từ nhiều lớp khác nhau trong hệ thống mạng cần phải được thích nghi với các hệ số kênh truyền của tần số đang hoạt động Hơn nữa, nó nên được xuyên suốt cả trong quá trình chồng phổ và trong lúc chờ đợi để được ghép phổ

Ngay tại thời điểm bắt đầu của quá trình này, hệ thống CR cần phải thích nghi với tần số hoạt động, do đó mỗi lần một máy trong CR mà thay đổi tần số hoạt động của nó thì các giao thức mạng cũng phải thay đổi theo, chuyển sang một chế

độ hoạt động khác Mục đích của sự quản lý linh động các phổ này trong hệ thống

CR nhằm chắc chắn rằng sự chuyển đổi tần số được thực hiện một cách suôn sẻ ngay khi có thể để cho các ứng dụng đang chạy trong một máy CR có thể hoạt động với chất lượng tốt nhất có thể trong suốt quá trình chồng phổ Việc các giao thức của quá trình quản lý linh động biết trước các thông tin trong suốt quá trình chồng phổ là cần thiết Các thông tin này thì được cung cấp bởi giải thuật cảm biến

Kết quả, sự quản lý linh động các giao thức đa tầng này được yêu cầu để hoàn thiện giải thuật linh động phổ Các giao thức này hỗ trợ cho hệ thống quản lý linh động sự thích nghi đối với các ứng dụng khác nhau

b, Các thử thách đặt ra cho hệ thống quản lý linh động phổ trong hệ thống CR

 Xét tại một khoảng thời gian đặc biệt nào đó, có nhiều khoảng phổ mà có thể

sử dụng được cho một người dùng trong hệ thống CR Giải thuật được yêu cầu để quyết định khoảng phổ nào là tốt nhất thì phải dựa trên các đặc trưng kênh truyền

của các khoảng phổ trống này và các đòi hỏi của các ứng dụng mà đang được dùng trong máy của hệ thống CR

 Khi mà khoảng phổ trống tốt nhất đã được chọn, thì thách thức tiếp theo là làm thế nào để thiết kết một hệ thống quản lý linh động phổ mới để giảm độ trễ và suy hao trong quá trình chồng phổ

 Khi tần số đang hoạt động bận mà quá trình truyền dẫn đang diễn ra bởi một máy trong hệ thống CR, có thể do máy đã đăng kí sử dụng bắt đầu dùng tần số này, khi đó, các ứng dụng đang chạy trên tần số này phải chuyển sang một tần số khác Tuy nhiên, để chọn được một tần số khác để chuyển thì cần thời gian Vì vậy,cần có một giải thuật để đảm bảo rằng các ứng dụng này không bị thiệt hại gì trong quá trình chuyển đổi

 Có nhiều sự chồng lấn phổ khác nhau cùng tồn tại trong hệ thống CR Nếu một máy trong hệ thống CR di chuyển từ nơi này đến nơi khác thì sự chồng phổ có thể không xảy ra bởi vì những dải phổ trống đã thay đổi Vì thế, yêu cầu đối với đề

án chồng phổ là nên tập hợp các cụm khu vực chồng phổ Theo đó, sự chồng phổ giữa các mạng khác nhau thì hướng theo sự chồng lấn theo chiều dọc và nó thì giống như những gì mà hệ thống CR đang làm Dưới tác động của môi trường đa dạng, phức tạp, nó cần thiết để đề tài chồng lấn phổ có thể có được tất cả các khả năng đã được đề cập

 Khả năng linh động phổ trong miền thời gian: hệ thống CR thích nghi phổ không dây dựa trên những dải băng trống của phổ Bởi vì những kênh trống này thay đổi quá giờ cho phép, sự cho phép của QoS thì đang là thách thức

 Khả năng linh động phổ trong không gian: các dải băng trống thì cũng thay đổi khi mà các máy di chuyển từ nơi này qua nơi khác Do đó, việc phân phối phổ tín hiệu thì tiếp tục là thách thức chính trong hệ thống CR

1.2.3.4 Chia sẻ phổ

Một trong những thách thức chính trong việc mở được một phổ để dùng chính là chia sẻ phổ Chia sẻ phổ có thể được coi như là tương tự với sự điều khiển truy cập bắt buộc (MAC) Tuy nhiên, còn có nhiều thách thức khác cho việc chia sẻ phổ trong hệ thống CR Và sự tồn tại đồng thời của các máy đã đăng kí cùng với

một dải phổ trống rộng đó chính là hai nguyên nhân chính cho những thách thức này Trong phần này chúng ta sẽ tập trung vào những thử thách đặc trưng cho sự chia sẻ phổ trong hệ thống CR, hướng khắc phục các nhược điểm này

Các bước để thực hiện việc chia sẻ phổ trong hệ thống CR:

 Cảm biến phổ (spectrum sensing): dựa vào sự sẵn có của phổ, các kênh truyền có thể được cho phép sử dụng Sự cho phép này không chỉ phụ thuộc sự sẵn

có của phổ mà nó con phụ thuộc vào các nguyên tắc bên trong của hệ thống

 Truy cập phổ (spectrum access): trong bước này, một vấn đề chính khác của chia sẻ phổ đó là hình ảnh Bởi vì các phần tử của hệ thống CR cố gắng truy cập vào các phổ, các truy cập này thì được điều phối để tránh sự đụng độ trong những phần chồng lấn lên nhau của phổ

 Sự kết nối giữa máy phát và máy thu (transmitter-receiver handshake): thiết

bị nhận của sự liên lạc máy phát và máy thu được thông báo về thông tin phổ đã được lựa chọn Vì vậy, giao thức cho sự kết nối giữa máy phát và máy thu là cần thiết cho hệ thống liên lạc có hiệu quả trong hệ thống CR

phổ tần số mà nó cho phép Vì thế, nếu các đặc trưng của phổ đang sử dụng mà được yêu cầu bởi máy đã đăng kí thì hệ thống liên lạc cần tiếp tục duy trì ở vùng phổ trống khác Do đó, sự cảm biến phổ thì cũng quan trọng cho sự thành công của quá trình liên lạc giữa các nút với nhau

1.2.4 Kiến trúc vật lí

Kiến trúc chung của một hệ thống thu phát CR được minh họa như hình 1.7 Trong đó các bộ phận chính của hệ thống là phần đầu (RF Front-End) và phần xử lí băng gốc (baseband processing unit) Mỗi bộ phận đều có thể được tái cấu hình thông qua đường điều khiển (control) nhằm thích ứng với các điều kiện thay đổi liên tục của môi trường

Hình 1.7: Bộ thu phát CR

Nếu như phần xử lí băng gốc tương tự như các hệ thống thu phát bình thường thì phần RF Front-End tạo nên sự khác biệt và tiến bộ của CR Do vậy, chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu phần RF Front-End

Hình 1.8: Băng rộng RF / kiến trức analog front-end

Ưu điểm của phần RF Front-End trong hệ thống CR là khả năng cảm biến băng rộng, có thể điều chỉnh đến bất cứ phần nào trong dải tần số rộng lớn Hơn nữa nó

có thể đo lường các thông tin phổ từ môi trường để phục vụ cho chức năng cảm biến phổ Các bộ phận chính của khối RF Front-End gồm có:

cho tín hiệu qua bộ lọc thông dải

 LNA (Low noise amplifier): bộ khuếch đại nhiễu thấp có tác dụng loại nhiễu tần số ảnh, khuếch đại nhiễu thấp tín hiệu nhỏ ngõ vào của máy thu tới mức cần thiết để đổi tần, tăng độ nhạy máy thu

 MIXER: tại bộ đổi tần thì tín hiệu thu được từ máy thu sẽ được trộn với tần

số gốc được phát ra và được chuyển tới dải băng gốc hay tần số trung tần

 VCO (Voltage controlled oscillator): được biết đến như là bộ điều chỉnh tần

số bằng điện áp Có tác dụng như bộ khóa pha giúp tần số ra ổn định

 Channel selection filter: được dùng để chọn kênh mong muốn đồng thời loại

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

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

 PLL (Phase locked loop): là hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu hồi tiếp được dùng để khóa tần số và pha của tín hiệu ra theo tần số và pha của tín hiệu vào Thách thức đối với việc thiết kế kiến trúc cho CR là có thể phát hiện chính xác tín hiệu cường độ yếu của PU trong một dải phổ rộng

1.2.5 Các chuẩn của hệ

a, Chuẩn IEEE SCC 41

Từ khi hệ thống quản lý phổ phù hợp sử dụng SDR trong hệ thống CR bao gồm nhiều kỹ thuật, nhiều phương pháp chuẩn và những giả thiết liên quan thì trở nên quan trọng Những phương pháp xử lý chuẩn và các cuộc kiểm tra này được yêu cầu cho sự phát triển và triển khai hệ thống mạng CR Tuy nhiên, đến bây giờ hầu hết các nhóm đều riêng rẽ và làm việc độc lập, do đó kết quả không có sự kết hợp Để giải quyết vấn đề này, việc kết hợp giữa các nhóm lại với nhau về cả trong công nghiệp, về kỹ năng và các tổ chức khác là thật sự cần thiết Và chuẩn IEEE Standards Coordinating Committee (SCC) 41 trong hệ thống CR và trong quản lý phổ đã được xây dựng để bắt đầu một chuỗi các chuẩn liên quan gọi là IEEE 1900 IEEE SCC 41 bao gồm 4 nhóm làm việc chính và 1 nhóm nghiên cứu Hệ thống IEEE 1900 bao gồm:

 IEEE 1900.1: Nhiệm vụ chính của tiêu chuẩn này là xác định và giải thích về những thuật ngữ và những khái niệm của quản lý phổ, SDR, vô tuyến thích nghi và

những kỹ thuật khác Tiêu chuẩn cũng mô tả sự tương tác giữa những khái niệm Chuẩn IEEE 1900.1 được sử dụng như là một kết nối giữa các nhóm làm việc trong IEEE SCC 41, bởi vì tất cả các nhóm đều định nghĩa dựa trên tiêu chuẩn này

 IEEE 1900.2: Trong hệ thống CR, nhiều hệ thống không dây và dịch vụ được cho phép cùng tồn tại trong cùng một vị trí ở cùng một thời điểm Các thông số hoạt động tối ưu của các hệ thống và các dịch vụ trên là thông số chủ yếu để quản lý và tránh nhiễu Theo đó, một khung công việc cho tính toán, nghiên cứu phân tích nhiễu giữa các thiết bị không dây và dịch vụ được giới thiệu Các nhóm này sẽ phát triển một tiêu chuẩn để giải quyết sự xung đột đụng độ trong hệ thống CR

 IEEE 1900.3: Tiêu chuẩn này liên quan tới các giá trị phù hợp của cấu trúc phần mềm của hệ thống SDR Nhóm công việc này sẽ phát triển và định nghĩa các phương pháp cho việc tìm giá trị phù hợp của các bộ phận của phần mềm trong hệ thống SDR dựa trên các thiết bị không dây Công vịêc chính của tiêu chuẩn này là đảm bảo sự phù hợp và sự tồn tại đồng thời trong phần mềm Sự phù hợp này được yêu cầu phải hợp lệ và được chứng nhận của hệ thống CR

 IEEE 1900.4: Tiêu chuẩn này liên quan đến sự cung cấp đồng thời cho việc tái cấu hình các giao diện không khí không đồng nhất Sự không đồng nhất sẽ là chìa khoá cho hệ thống không dây mà các thiết bị di động có thể sử dụng kỹ thuật không dây đa kênh một cách đồng thời Nhóm làm việc sẽ định nghĩa tất cả kiến trúc của hệ thống cũng như công thức của hệ thống

 IEEE 1900.A: Tiêu chuẩn này liên quan tới sự phù hợp của việc truy cập phổ linh động dựa vào thiết bị Các nhóm nghiên cứu sẽ nhấn mạnh sự phụ thuộc và giá trị của các thông số của thiết bị không dây với truy cập phổ linh động Bởi vì một thiết bị CR sẽ phức tạp hơn so với các thiết bị cũ, nên một giải thuật hợp lý trở thành một thử thách Các phương pháp mới cần được phát triển để chắc rằng các thiết bị sẽ không gây nhiễu lên kênh truyền của thiết bị đăng ký, bao gồm cả sự khó khăn trong việc phân tích nguyên nhân của nhiễu

Mối quan hệ giữa các thành phần IEEE SCC 41 như trong hình:

Hình 1.9: Mối quan hệ giữa các thành phần IEEE SCC 41

b, Chuẩn IEEE 802.22 cho khu vực mạng không dây

Có nhiều khoảng băng TV thì còn trống rất nhiều trên nhiều khu vực Như băng TV 6 MHz có thể sử dụng cho truyền dữ liệu Bởi vì các băng TV thì hầu hết trong phổ tần số thấp (ví dụ 54-862 MHz ở nam Mỹ và 41-910 MHz trên quốc tế) nên sự truyền các thông số thì phù hợp hơn cho sự truyền trong dải dài Chuẩn IEEE 802.22 được hướng đến kỹ thuật trong khu vực mang không dây, mà nó hứa hẹn sẽ cung cấp cho các thiết bị di động trong khu vực mà bán kính có thể lên đến 100km

Bởi vì chuẩn IEEE 802.22 thì dựa trên hệ thống băng TV nên hệ thống CR phù hợp

sẽ được dùng để tránh nhiễu đến các dịch vụ đã đăng ký

Hệ thống kiến trúc của chuẩn IEEE 802.22 dựa trên WRAN thì tương tự như mạng truy cập không dây băng rộng (broadband wireless access (BWA)) như IEEE

802.16 WiMAX Trong thực tế, một WRAN thì dựa trên kết nối điểm - đa điểm mà

trong đó các trạm gốc BS điều khiển tất cả các kết nối

 Lớp vật lý trong 802.22

Trong lớp vật lý, sự truyền dẫn của chuẩn IEEE 802.22 hướng đến các tần số mà dựa vào truy cập dồn tần số trực giao (OFDMA) Ghép các băng TV có thể được sử dụng 1 cách hợp lý để tăng cường dung lượng của hệ thống bằng cách sử dụng kỹ thuật liên kết kênh truyền Kênh truyền liên kết là kỹ thuật sử dụng bộ ghép kênh cho sự truyền dẫn của dòng dữ liệu đơn Một kỹ thuật tương tự được dùng là chuẩn IEEE 802.11 dựa trên WLAN Hệ thống và mã phù hợp từ 0.5 bit/symbol/Hz đến 5 bit/symbol/Hz sẽ được cung cấp cho chuẩn này Một mạng IEEE 802.22 thì được mong đợi sẽ cung cấp hơn 10 người dùng trên 1 mạng tế bào với đường truyền lên

và truyền xuống với lưu lượng lần lượt là 1.5 Mbps và 384 kbps

Hình1.10: Kết cấu siêu khung trong chuẩn IEEE 802.22

Hình1.11: Kết cấu một khung IEEE 802.22

 Lớp MAC trong 802.22

Hình trên đã chỉ ra cấu trúc khung của lớp MAC trong IEEE 802.22 Tại nơi bắt đầu của khung, thông tin phần đầu của khung superframe control header (SDH) thì được truyền đi bởi BS trên những băng TV nào có thể Phần mở đầu được sử dụng

để bảo vệ các dịch vụ truyền thống và trong khi SDH được sử dụng bởi thiết bị sử dụng đầu tiên CPE (consumer premise equipment) để đồng bộ với BS Nó bao gồm tất cả các thông tin về CPE để bắt đầu kết nối Bởi vì theo yêu cầu của FCC, thì 2 băng TV còn lại không được sử dụng để tránh nhiễu cho dịch vụ TV

Và trong một kết cấu khung trong các khung trên được đưa ra như hình Truyền dẫn trong mỗi khung là các khe thời gian và nó dựa vào sóng mang OFDM Trong một khung, có dòng lên và dòng xuống của khung con Một khung phụ dòng xuống bao gồm phần mở đầu để bắt đầu một khung Sau đó, US-MAP và DS-MAP được dùng để chứng tỏ cấu trúc của dòng lên xuống của khung phụ Cấu trúc khung, siêu khung, khung phụ và khối lõi của IEEE 802.22 thì được điều khiển bởi BS

Để bắt đầu một kết nối với BS, thì một CPE quét và xác định các băng TV trống

mà không ảnh hưởng tới các dịch vụ khác Dựa vào các băng trống này, CPE sẽ quét tín hiệu SCH nhận từ BS Sau khi nhận SCH, CPE có thể bắt đầu một kết nối bằng cách gửi một xác nhận tới BS BS cho phép truyền phần lõi và cho phép CPE nhận trên khoảng trống của phổ

Trong hệ thống 802.22, cả BS và CPE thực hiện cảm biến kênh theo chu kì Bởi

vì cảm biến kênh có thể ở trong khoảng băng hay ngoài khoảng băng nên có 2 giao diện được yêu cầu tại CPE Một anten trực tiếp thì được sử dụng để kết nối với BS,

và một anten đẳng hướng thì được dùng để cảm biến phổ BS hướng dẫn CPE cảm biến băng TV, và kết quả cảm biến sẽ được gửi trở lại cho BS để xây dựng một bản

đồ các phổ trống cho các tế bào mà được dùng để quản lý phổ Giao thức MAC cần được thiết kế để cung cấp các yêu cầu của quản lý phổ bao gồm thay đổi kênh truyền, sự hoãn hay khôi phục kênh, sự bao gồm hay loại trừ của nhiều kênh từ một kênh truy cập

Để phát hiện một dịch vụ TV truyền thống, hệ thống IEEE 802.22 cung cấp máy cảm biến băng tần thô và cảm biến tinh như hình 1.12

Hình1.12: Cơ chế cảm biến thô và tinh trong hệ thống IEEE 802.22

Kết quả của sự cảm biến này được sử dụng để phân tích hoạt động của kênh truyền Nếu có một năng lượng truyền dẫn được phát hiện, thì hệ thống cảm biến tinh sẽ hoạt động Giải thuật của cảm biến tinh này sẽ tốn thời gian để xác định các tín hiệu từ dịch vụ nguồn Cả 2 phương pháp cảm biến thô và tinh này đều đáp ứng được yêu cầu của chuẩn IEEE 802.22

1.3 Kết luận

Vô tuyến nhận thức được ứng dụng rộng rãi trong việc cải thiện hoạt động hệ thống thông tin không dây hiện tại cũng như thiết lập các hệ thống thông tin không dây mới Ưu thế của khả năng nhận thức trong hệ thống không dây là không có giới hạn Tuy nhiên, vô tuyến nhận thức cũng đối mặt với những thách thức Ví dụ như việc sử dụng phổ yêu cầu phải xác định những phổ trống,…

CHƯƠNG II ANTEN TỰ CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ VÀ

ỨNG DỤNG 2.1 Giới thiệu chung

2.1.1 Khái niệm

Anten tự cấu hình là cách gọi chung cho các anten có khả năng thay đổi các thuộc tính bức xạ, như đặc tính tần số, mẫu bức xạ, băng thông trở kháng hoặc sự phân cực Anten tự cấu hình lần đầu được giới thiệu vào năm 1998, nó là sự mở rộng các khả năng của các anten thông thường bằng cách thay đổi cấu hình của chúng dựa theo yêu cầu Sự cấu hình lại của những anten như vậy đạt được nhờ sự phân bố lại có chủ ý của các dòng điện bề mặt, hoặc một cách tương đương, là phân

bố lại trường điện từ trên bề mặt của anten Những phân bố lại này dẫn đến các thay đổi về trở kháng hoặc các thuộc tính bức xạ của anten

Sự tự cấu hình của anten có thể đạt được bằng nhiều kỹ thuật Có thể sử dụng các phần tử mạch, có thể dựa vào sự thay đổi cơ học của cấu trúc như là xoay hoặc uốn cong một hoặc nhiều phần của anten Tất cả các phương pháp như vậy đã đóng góp đáng kể vào sự phát triển của anten tự cấu hình Hiện nay, các nhà thiết kế anten đã sử dụng các bộ chuyển mạch và các diode biến dung được điều khiển bằng điện để đạt được sự tự cấu hình Các bộ chuyển mạch PIN diode và RF MEMS thường được sử dụng nhiều nhất

2.1.2 Ứng dụng của anten tự cấu hình

Anten tự cấu hình được ứng dụng trong nhiều mảng đặc biệt khi mà nhiều thuộc tính bức xạ được yêu cầu từ một phẩn tử đơn nhất Các vùng ứng dụng như:

 Vô tuyến nhận thức ( cognitive radio)

 Trong các hệ thống truyền thông nhiều đầu vào nhiều đầu ra

 Hệ thống truyền thông cá nhân và tế bào

 Các ứng dụng quân sự

 Ví dụ một anten tự cấu hình về tần số có thể dùng cho GSM, DCS, PCS, UMTS, Bluetooth và WLAN

2.1.3 Phân loại anten tự cấu hình

Mặc dù anten tự cấu hình có nhiều hình dạng khác nhau, nhưng có thể nhóm làm 4 loại dựa vào chức năng có thể cấu hình lại của chúng:

- Anten tự cấu hình về tần số

- Anten tự cấu hình về mẫu bức xạ

- Anten tự cấu hình về sự phân cực

- Và loại anten kết hợp các chức năng trên

Trong trường hợp của anten tự cấu hình tần số, sự điều chỉnh tần số xảy ra với các cấu hình anten khác nhau Sự điều chỉnh tần số này được thấy qua sự dịch tần số cộng hưởng trong dữ liệu về suy hao ngược của anten Trong trường hợp của anten tự cấu hình về mẫu bức xạ, các mẫu bức xạ thay đổi về hình dạng, hướng hoặc độ khuếch đại Còn trường hợp anten tự cấu hình về phân cực thì các loại phân cực thay đổi theo mỗi cấu hình của anten Loại cuối cùng là loại có nhiều thuôc tính kết hợp của các anten trên

Các anten tự cấu hình cũng có thể được phân thành nhóm dựa vào kỹ thuật thực hiện:

- Nhóm 1: Nhóm anten sử dụng các bộ chuyển mạch

- Nhóm 2: Nhóm anten sử dụng tụ điện, và diode biến dung

- Nhóm 3: Nhóm anten sử dụng sự thay đổi góc vật lý

- Nhóm 4: Nhóm anten sử dụng mạch tiếp điện cấu hình lại được

2.1.4 Các nguyên lý thiết kế cơ bản

Sự tự cấu hình của anten có thể đạt được dựa theo các nguyên lý cơ bản sau

- Nguyên lý 1: Để thiết kế anten có tần số là tham số có thể cấu hình lại được, người thiết kế cần làm thay đổi sự phân bố dòng điện bề mặt trên anten

- Nguyên lý 2: Để thiết kế anten có mẫu bức xạ có thể cấu hình lại được người thiết kế cần thay đổi biên bức xạ, khe bức xạ hoặc mạng tiếp điện

- Nguyên lý 3: Để thiết kế anten có trường phân cực có khả năng cấu hình lại, người thiết kế cần thay đổi cấu trúc bề mặt của anten hoặc thay đổi mạng tiếp điện cho anten

- Nguyên lý 4: Để thiết kế anten có đồng thời các thuộc tính trên, người thiết

kế cần sử dụng đồng thời các nguyên lý trên

Một anten được gọi là anten nhiều phần nếu nó được cấu thành bởi một dãy các thành phần đồng dạng (tam giác, vuông …), còn lại nó được gọi là anten đơn phần Anten nhóm 1 sử dụng các bộ chuyển mạch để kết nối các phần khác nhau của anten nhiều phần hoặc để bắc qua các khe tồn tại trong anten một phần Trong anten nhiều phần, các bộ chuyển mạch dùng để mở rộng kích thước của anten hoặc

để đạt được đặc tính bức xạ đặc biệt Tuy nhiên với anten đơn phần các bộ chuyển mạch kết nối các khe để đổi hướng sự phân bố các dòng bề mặt theo các hướng khác nhau và thay đổi đặc tính của anten Anten tự cấu hình nhóm 2 sử dụng tụ điện hoặc diode biến dung trong anten nhiều phần cũng như anten đơn phần để cấu hình lại điện dung giữa các phần anten khác nhau hoặc giữa các khe trong cấu trúc anten Các anten nhóm 3 sử dụng sự thay đổi vật lí như là uốn cong hoặc quay một phần

để phân bố lại dòng bề mặt và thay đổi thuộc tính bức xạ Anten nhóm 4 cấu hình lại mạng tiếp điện của anten

2.2 Một số mẫu anten tự cấu hình

2.2.1 Anten tự cấu hình sử dụng các bộ chuyển mạch (nhóm 1)

Anten ở hình 2.1 được tạo thành bởi các miếng khác nhau được kết nối bởi các bộ chuyển mạch Các anten tự cấu hình được sản xuất như hai mẫu riêng biệt (cấu hình mở và cấu hình đóng) Loại anten này thu được sự điều chỉnh tần số bức

xạ và sự phân cực

Hình 2.1 Anten tự cấu hình gồm các ô bức xạ được kết nối bởi các bộ chuyển

mạch RF MEMS cấu hình mở [1]

Hình 2.2 Cấu hình của anten hoạt động ở 2 tần số khác nhau [1]

Trên hình 2.3 anten tự cấu hình dựa trên anten Yagi Anten này được thiết kế

sử dụng thành phần cơ bản là chấn tử có khả năng cấu hình lại để làm việc ở hai tần

số với gấp đôi số thanh dẫn xạ và phản xạ ở tần số cao hơn so với ở tần số thấp hơn Mỗi trong số hai cấu hình của anten tồn tại một tần số cộng hưởng

Hình 2.3 Anten Yagi tự cấu hình.[2]

Trên hình 2.4 là anten dạng xoắn ốc phẳng, thiết kế dựa trên tấm hình xoắn

ốc sử dụng các bộ chuyển mạch để mở rộng hoặc làm ngắn chiều dài của nhánh xoắn ốc Miếng hình xoắn ốc này được in trên tấm điện môi và được tiếp điện ở điểm trung tâm bằng một cáp đồng trục Việc sử dụng tiếp điện cáp đồng trục anten được kích thích thông qua đầu dò đứng, cái được hình thành bằng việc kéo dài vật dẫn bên trong của đường đồng trục, trong lúc mặt ngoài của cáp đồng trục được kết nối với mặt phẳng đất của tấm nền Anten xoắn ốc này bao gồm 5 phần, được kết nối bởi bốn bộ chuyển mạch RF MEMS Vị trí của các bộ chuyển mạch được xác định để đạt độ khuếch đại tối ưu ở tần số mong muốn Anten này đạt được việc điều chỉnh tần số bức xạ và mẫu bức xạ

Hình 2.4 Anten nhiều phần với các bộ chuyển mạch được sử dụng để thay đổi

chiều dài đoạn xoắn ốc.[2]

Có rất nhiều anten tự cấu hình sử dụng bộ chuyển mạch nhằm mục đích cho ứng dụng vô tuyến nhận thức (cognitive radio application) như là anten trong các hình 2.5, 2.6, 2.7 dưới đây

Hình 2.5 Anten hai băng tần cho hệ thống vô tuyến nhận thức