Đánh giá hiệu năng bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức dưới tác động của can nhiễu sơ cấp

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 2 Bản chất của các mạng không dây truyền thống và mạng vô tuyến nhận thức Cognitive Radio Network là broadcast thông tin trong môi trường vô tuyến, điều này

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-oOo -

NGUYỄN ĐỨC TRỌNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DƯỚI TÁC

ĐỘNG CỦA CAN NHIỄU SƠ CẤP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 60520208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2017

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS HỒ VĂN KHƯƠNG

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS HÀ HOÀNG KHA

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 6 tháng 7 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 TS HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN ĐỨC TRỌNG MSHV: 7140999

Ngày, tháng, năm sinh: 26-10-1991 Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 60520208

I TÊN ĐỀ TÀI:

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN

NHẬN THỨC DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CAN NHIỄU SƠ CẤP PERFORMANCE EVALUTION OF PHYSICAL LAYER SECURITY FOR

COGNITIVE RADIO NETWORK WITH PRIMARY USER ‘s INTERFERENCE

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Tìm hiểu về mạng vô tuyến nhận thức, bảo mật lớp vật lý và các thông số quan vcvtrọng, kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo

Tìm ra các biểu thức toán học bằng các công cụ toán học để đánh giá xác suất bảo mật

Đánh giá mô phỏng, kiểm nghiệm bằng MATLAB

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05-01-2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20-6-2017

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS HỒ VĂN KHƯƠNG

kiến thức cần thiết từ những công thức toán học, cách triển khai cho đến những tài liệu liên quan, để em có thể hoàn thành đề cương Luận văn và bây giờ là Luận văn cao học Trong quá trình làm luận văn không tránh khỏi những nút thắt, Thầy Khương đã truyền cảm hứng và không ngừng thúc đẩy

để em có những hướng đi, tự tìm ra được giải pháp đúng và dễ dàng gỡ được những nút thắt quan trọng trong quá trình nghiên cứu luận văn Đó là một chặng đường nghiên cứu và khám phá đầy thú vị và em đã có được những kết quả nghiên cứu riêng cho mình Thầy đã thực sự rèn luyện được cho em khả năng tự nghiên cứu, giải quyết vấn đề bằng nhiều cách Tất cả những điều này sẽ là kiến thức, kinh nghiệm quý báu để em có thể tự độc lập làm việc và

áp dụng trong quá trình công tác

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn Thầy Chúc thầy sẽ cùng các thế hệ học sĩ sẽ gặt hái nhiều thành tựu mới trong quá trình giảng dạy và nghiên cứu

TP.HCM, tháng 06 năm 2017, Nguyễn Đức Trọng,

Trân Trọng!

“ Đề tài tập trung phân tích và đánh giá ảnh hưởng chung của nhiễu sơ cấp và nhiễu nhân tạo đối với khả năng bảo mật thông tin của các mạng vô tuyến nhận thức (CRNs) dưới sự hạn chế về giới hạn công suất nhiễu, giới hạn công suất phát đỉnh và kênh truyền fading Rayleigh Hai công thức chính xác về xác suất dừng kết nối và xác suất dừng đánh chặn để đánh giá hiệu năng bảo mật, lần đầu tiên được phân tích và sau đó được kiểm chứng bằng các mô phỏng máy tính Cuối cùng, công thức chính xác này được sử dụng để cung cấp nhiều kết quả để thể hiện được độ bão hòa hiệu năng bảo mật ở công suất phát đỉnh hoặc công suất nhiễu đỉnh, ảnh hưởng bất lợi của nhiễu sơ cấp đến hiệu năng bảo mật và cải thiện hiệu năng bảo mật bằng nhiễu nhân tạo

This paper analyzes and evaluates joint effect of primary interference and artificial noise on information securing capability of cognitive radio networks (CRNs) under interference power constraint, peak transmit power constraint, and Rayleigh fading The exact formulas: connection outage probability and intercept outage probability for security performance evaluation, is first derived and then validated by computer simulations Finally, this exact formulas is used to provide numerous results to show security performance saturation at large peak transmit power or large peak interference power, adverse effect of primary interference on security performance, and security performance improvement owing to artificial noise ”

Tôi, học viên Nguyễn Đức Trọng xin cam đoan rằng luận văn thạc sĩ do chính bản thân tự nghiên cứu và thực hiện trên cơ sở những tài liệu được hướng dẫn và tìm hiểu thêm Các thông tin được trình bày trong luận văn là hoàn toàn dựa trên những tài liệu có nguồn gốc xác thực và các kết quả được cho ra từ cả quá trình nổ lực tự nghiên cứu và triển khai dưới sự hướng dẫn của thầy Khương và của bản thân Tôi khẳng định rằng tôi không sao chép các bài nghiên cứu của người khác để lấy làm thành bài luận văn của mình Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận văn

Tôi kính mong nhận được những phản hồi tích cực từ phía Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ!

Trân trọng!

Học viên Nguyễn Đức Trọng

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Bố cục luận văn 4

Chương 2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 5

1 Kênh truyền vô tuyến 5

2 Mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Network) 16

3 Bảo mật trong mạng vô tuyến nhận thức 42

4 Kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo (Artificial Noise) 46

5 Kết luận 49

Chương 3 KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH MÔ HÌNH 50

1 Những nghiên cứu liên quan 50

2 Mô hình phân tích 54

3 Xác suất dừng kết nối (Connection Outage Probability) 58

4 Xác suất dừng đánh chặn (Intercept Outage Probability) 60

5 Kết luận 63

Chương 4 MÔ PHỎNG, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 64

1 Kết quả mô phỏng 64

2 Nhận xét đánh giá 73

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 74

Phụ lục A: Chứng minh hàm CDF của D 76

Phụ lục B: Chứng minh hàm CDF của W 78

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 1

Chương 1 GIỚI THIỆU

1 Lý do chọn đề tài

Công nghệ không dây đang phát triển nhanh chóng, xu hướng của các thiết bị không dây và truyền thông IoT hứa hẹn sẽ đem lại rất nhiều lợi ích cho xã hội Trong khi các thiết bị tiêu dùng như điện thoại di động, máy tính xách tay đang rất phổ biến, thì công nghệ không dây đang dần len lỏi vào các mạng lưới cảm biến cho các ứng dụng an toàn

và tự động hóa, kiểm soát lưới điện thông minh, thiết bị không dây trong y tế và hệ thống giải trí Và sự bùng nổ của ứng dụng không dây đã tạo ra nhu cầu ngày càng tăng đối với phổ tần vô tuyến Tuy nhiên hầu như các phổ tần đã được phân bổ sử dụng, mặc dù các nghiên cứu cho thấy các phổ tần này sử dụng dưới mức hiệu quả tối ưu Những đánh giá này đã thúc đẩy việc tìm kiếm các công nghệ không dây mang tính đột phá, đáp ứng được các nhu cầu trong tương lai cả về hiệu suất phổ và ứng dụng

Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio viết tắt là CR) là một thiết bị không dây lập trình được có khả năng thích ứng với môi trường truyền, sóng truyền, phổ tần, phương pháp truy cập, giao thức mạng để có thể hoạt động tốt Vô tuyến nhận thức hứa hẹn là một công nghệ mang tính đột phá trong tương lai, và là giải pháp đúng đắn cho vấn đề cạn kiệt nguồn tài nguyên phổ Thật vậy, mạng vô tuyến nhận thức chia thành hai mạng con gồm mạng sơ cấp/mạng được cấp phép và mạng thứ cấp/mạng không được cấp phép, mà ở đó băng thông truyền tải được phân bổ cho mạng sơ cấp/mạng được cấp phép Tuy nhiên, mạng thứ cấp vẫn được phép truy cập đồng thời hay truy cập cơ hội vào phổ tần số được ủy quyền của mạng sơ cấp thông qua các cơ chế underlay, interweave, overlay Do đó công nghệ CR cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng phổ tần

và tránh sự khan hiếm phổ, đáp ứng tốt nhu cầu băng thông ngày càng tăng cho các dịch vụ không dây mới nổi như video trực tuyến độ nét cao, gọi video, truyền file và truy cập internet tốc độ cao

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 2

Bản chất của các mạng không dây truyền thống và mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Network) là broadcast thông tin trong môi trường vô tuyến, điều này làm cho việc truyền tải thông tin dễ dàng bị nghe lén bởi người sử dụng độc hại có chủ đích nằm trong vùng phủ sóng của máy phát Đối với CRN, việc ngăn chặn nghe lén còn khó hơn vì có rất nhiều thiết bị đầu cuối không dây khác nhau cùng được phép truy cập đồng thời hay truy cập cơ hội vào phổ tần được cấp phép Như vậy, một vấn đề về bảo mật thông tin trong mạng vô tuyến nhận thức đang ngày càng trở nên quan trọng trong nghiên cứu và thực tiễn công nghiệp, nó không chỉ đảm bảo truyền tải thông tin mà còn tăng cường hiệu quả sử dụng phổ Các công nghệ bảo mật thông tin truyền thống có thể được thực hiện ở những lớp cao như lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp ứng dụng của mô hình OSI thông qua các kỹ thuật mật mã hóa, chủ yếu dựa vào các secret key xác định trước Những kỹ thuật này được thiết kế với độ tính toán phức tạp cao để ngăn chặn bộ nghe lén giải mã thông tin bí mật Tuy nhiên chúng chỉ có hiệu quả khi khả năng tính toán của bộ nghe lén bị hạn chế Ngày nay, những tiến bộ trong thiết kế phần cứng làm tăng đáng kể khả năng tính toán của bộ nghe lén và do đó, bảo mật thông tin chỉ dựa trên mã hóa và các kỹ thuật mật mã là không đủ hiệu quả và cần phải được bổ sung Gần đây, bảo mật lớp vật lý đã thu hút rất nhiều sự chú ý như là một kỹ thuật bảo mật thông tin bổ sung cho các phương pháp mã hóa và kỹ thuật mật

mã Kỹ thuật này khai thác các đặc tính thời gian và không gian của kênh truyền không dây để đảm bảo truyền tải thông tin mà không cần sử dụng phương pháp mã hóa và kỹ thuật mật mã Lý thuyết thông tin đã chỉ ra rằng nếu kênh chính (từ nguồn đến đích) cao hơn kênh wiretap (từ nguồn đến bộ nghe lén), nguồn có thể truyền tin cậy và an toàn đến đích với tốc độ dữ liệu khác không mà không cần chia sẻ secret key trong khi

bộ nghe lén gần như không ăn cắp được bất cứ thông tin nào từ kênh chính Do đó hướng nghiên cứu của đề tài là đánh giá hiệu năng bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức underlay CRN dưới tác động của can nhiễu sơ cấp, có giới hạn công suất phát đỉnh của mạng vô tuyến nhận thức, kết hợp phương pháp tạo nhiễu nhân tạo

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 3

Với đề xuất của hướng nghiên cứu trên, ta thấy rằng các yếu tố nhiễu của hệ thống không dây hiện tại (Primary Radio) tác động như thế nào lên hệ thống vô tuyến nhận thức trong tương lai cùng tồn tại và vận hành song song Để đánh giá được khả năng hoạt động cũng như bảo mật của hệ thống vô tuyến nhận thức, ta đi xem xét mô hình, tính toán thống kê và mô phỏng trên hệ thống MATLAB

2 Mục đích nghiên cứu

Đề tài sẽ phân tích và đánh giá hiệu năng bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức dưới tác động của can nhiễu sơ cấp Để thuận tiện hơn trong quá trình thiết

kế và tối ưu mạng, đề tài sẽ tìm ra các biểu thức toán dạng tường minh bằng các công cụ toán học nhằm thể hiện hiệu năng mạng, có giới hạn công suất phát đỉnh của mạng

vô tuyến nhận thức, kết hợp phương pháp tạo nhiễu nhân tạo Những hiệu năng mạng này sẽ được thể hiện qua các tham số quan trọng như là xác suất dừng đánh chặn, xác suất dừng kết nối Ngoài ra đề tài cũng thể hiện việc đánh giá qua việc mô phỏng MATLAB, vẽ đồ thị giữa số liệu tính toán bằng biểu thức và mô phỏng Monte-Carlo, kiểm tra, phân tích số liệu đánh giá thống kê

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Networks)

 Bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security)

 Kênh truyền fading Rayleigh, nhiễu trắng Gauss

 Mô phỏng trên phần mềm Matlab

 Đánh giá hiệu năng bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức dưới tác động của can nhiễu sơ cấp

4 Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu về mạng vô tuyến nhận thức, bảo mật lớp vật lý, các thông số quan trọng trong bảo mật lớp vật lý: xác suất dừng đánh chặn (Intercept Outage Probability), xác suất dừng kết nối (Connection Outage Probability)

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 4

 Nghiên cứu về phương pháp tạo nhiễu nhân tạo (Artificial Noise), và việc phân

bổ năng lượng tối ưu giữa tín hiệu hữu ích và tín hiệu nhiễu

 Xây dựng các biểu thức dạng toán học bằng các công cụ toán học để đánh giá xác suất bảo mật

 Sử dụng chương trình Matlab để chứng minh kết quả giữa thực tế và lý thuyết

 Nhận xét và đưa ra đánh giá

5 Bố cục luận văn

Nội dung luận văn gồm 5 chương:

Chương 1 Giới thiệu: Mục đích, lý do chọn đề tài và cách thức triển khai nghiên cứu

Chương 2 Lý thuyết tổng quan: Trình bày sơ lược về mô hình kênh truyền, mạng

vô tuyến nhận thức, bảo mật lớp vật lý và kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo để tăng tính bảo

mật

Chương 3 Khảo sát và phân tích mô hình: Trình bày mô hình hệ thống mà đề tài

nghiên cứu, và từ mô hình này đi phân tích các tham số bảo mật lớp vật lý: xác suất

dừng kết nối, xác suất dừng đánh chặn

Chương 4 Mô phỏng, nhận xét và đánh giá: Đưa ra các kết quả từ việc chạy mô phỏng MATLAB, nhận xét và đánh giá hiệu năng bảo mật từ các kết quả đạt được Chương 5 Kết luận và hướng phát triển đề tài: Tóm tắt tất cả những việc đã làm và đạt được, cũng như những đóng góp của đề tài và hướng phát triển đề tài

Ngoài ra luận văn có thêm 2 phần phụ lục dùng để chứng minh công thức

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 5

Chương 2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

1 Kênh truyền vô tuyến

hệ thống thông tin vô tuyến Do đó việc nắm vững những đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số tối ưu của hệ thống

Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai loại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading)

Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng Hiện tượng này chịu ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát và máy thu Người ta nói phía thu được bị che khuất bởi các vật cản cao Các thống kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách

Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu Điều này xảy

ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng) giữa phía phát và phía thu Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian (time-spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh truyền Đối với

+ Nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng Nhiễu xạ là hiện tượng giải thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từ phía phát đến phía thu mà không cần đường truyền thẳng Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn (shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua

+ Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng lượng bị trải ra (tán xạ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng Trong môi trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá

b) Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền

 Hiện tượng đa đường (Multipath)

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận được chính

là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ

từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng

đa đường (Multipath Propagation) Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 7

xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau Hiện tượng này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion) Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng

Hình 1: Hiện tượng truyền sóng đa đường

 Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu

như trình bày ở hình 2 Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn, khi đó tần số Doppler của tuyến này là

Hình 2: Hiệu ứng Doppler

 Suy hao trên đường truyền

Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khắc phục bằng các phương pháp điều khiển công suất

 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm Tuy nhiên, hiện tượng này

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 9

chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm

c) Các dạng kênh truyền

Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có + Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số

+ Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian

 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số

Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 3 và hình 4 là f0

Hình 3: Kênh truyền chọn lọc tần số (f0 <W)

Trên hình 3, ta nhận thấy kênh truyền có f0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền không cho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau Dạng kênh truyền như vậy được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 10

Hình 4: Kênh truyền không chọn lọc tần số (f0 >W)

Ngược lại, trên hình 4, kênh truyền có f0 lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suy giảm

và dịch pha gần như nhau Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là kênh truyền không chọn lọc tần số hoặc kênh truyền fading phẳng

 Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không chọn lọc thời gian

Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất trên đường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những vật thể mới xuất hiện và những vật thể cũ mất đi… Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền phản xạ, tán xạ … qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay đổi theo thời gian

Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số, gọi là coherent time

Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay đổi rất ít (có thể xem là phẳng về thời gian)

Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất lớn so với coherent time thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian Ngược lại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất nhỏ so với coherent time thì kênh truyền đó là được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian hay phẳng về thời gian

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 11

d) Các mô hình kênh cơ bản

 Kênh tạp âm AWGN

Là một mô hình đơn giản chỉ xét đến tạp âm trắng mà chưa xét đến các hiệu ứng của môi trường truyền sóng ví dụ như Fading, hiệu ứng Doppler

Hình 5: Mô hình toán học kênh truyền

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 12

W / Hz2

Hình 7: Mật độ phổ công suất và hàm tự tương quan của tạp âm trắng

 Kênh truyền fading Rayleigh

Hàm truyền đạt của kênh thực chất là một quá trình xác suất phụ thuộc vào cả thời

gian và tần số

Biên độ hàm truyền đạt của kênh sẽ tuân theo phân bố Rayleigh nếu môi trường

truyền dẫn thỏa mãn một số điều kiện:

 Môi trường truyền dẫn không có tuyến trong tầm nhìn thẳng

 Kênh theo phân bố Ricean

Trong trường hợp môi trường tán xạ tồn tại tia truyền thẳng, phân bố sẽ là Ricean Trong trường hợp này, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau được xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này có ảnh hưởng như là cộng thêm thành phần DC vào các thành phần đa

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 14

đường ngẫu nhiên Giống như trong trường hợp dò sóng sin trong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu light-of-sight (có công suất vượt trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có công suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố Ricean rõ rệt hơn Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh Vì vậy, phân bố bị trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần light-of-sight mất đi

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:

2 2 2

( ) 2 0

I : Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0

Hình 9: Hàm phân bố Rice cho các giá trị khác nhau của k [1]

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 15

Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỉ số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành phần đa đường:

2 2 2

A k



k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean Ta thấy rằng, khi k 0 thì kênh truyền thuần tuý là kênh Rayleigh, và khi k  kênh truyền sẽ không còn hiện tượng pha đinh [1]

e) Xác suất dừng trong kênh truyền fading

Trong kênh tạp âm AWGN, xác suất lỗi ký tự P s phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR tại bộ nhận s Còn trong môi trường fading, công suất tín hiệu thu được thay đổi ngẫu nhiên theo khoảng cách hoặc thời gian do hiệu ứng bóng râm (Shadowing) hoặc hiện tượng đa đường (Multipath) Vì thế trong fading, s là một biến ngẫu nhiễu với phân bố ps   và do vậy xác suất lỗi ký tự P s s cũng ngẫu nhiên và phụ thuộc ngẫu nhiên vào tốc độ thay đổi của fading

Xác suất dừng, P out được định nghĩa là xác suất sbắt đầu nhỏ hơn một giá trị nhất định tương ứng với giá trị xác suất lỗi ký tự P s tối đa cho phép

Xác suất dừng tương đối so với 0 được định nghĩa :

2 Mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Network)

a) Khái niệm tổng quan

Mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Network viết tắt là CRN) là công nghệ

cho phép sử dụng dải phổ tần 1 cách linh hoạt, tận dụng các phổ tần (licensed) chưa sử

dụng để truyền tín hiệu, sử dụng cơ chế Dynamic Spectrum Access (DSA) Điều này

có thể giải quyết được vấn đề phổ tần số giới hạn, đang ngày 1 hạn hẹp do sự phát triển của công nghệ truyền không dây

Với cơ chế DSA, một phần của phổ tần được gán cho 1 hoặc nhiều user, được gọi là Primary Users (PUs) Những users khác, tạm gọi là Secondary Users (SUs), cũng có thể truy cập sử dụng được phổ tần này miễn là PUs tạm thời đang không sử dụng hoặc cũng có thể chia sẻ chung phổ tần với PUs miễn vẫn đảm bảo cho PUs hoạt động hiệu quả Bằng cách làm này, phổ tần vô tuyến được tái sử dụng tại tất cả các thời điểm, từ

đó hiệu quả sử dụng phổ tần có thể được cải thiện đáng kể Để hỗ trợ cho DSA, SUs phải capture được hoặc sensing được môi trường vô tuyến, SUs với khả năng như vậy được gọi là khả năng nhận thức (Cognitive Capabilities) hay được gọi là CR users [3]

Hình 10: Mô hình tổng quan mạng vô tuyến nhận thức

Với những khả năng nhận thức khác nhau, CR có thể truy cập phổ tần số theo những cách khác nhau Trong tài liệu, chúng ta sẽ tìm hiểu 3 mô hình truy cập phổ tần đáng chú ý

b) Các mô hình truy cập phổ

Mô hình Underlay

Hình 11: Mô hình Underlay: CR user hoạt động đồng thời với PUs [2]

Trong mô hình này, mạng vô tuyến nhận thức được gọi là người dùng thứ cấp (secondary user) sẽ không gây nhiễu cho việc giao tiếp của hệ thống đang tồn tại (licensced) thường được gọi là người dùng sơ cấp (Primary User) Cụ thể, việc truyền trong hệ thống nhận thức và không nhận thức chỉ có thể xảy ra đồng thời khi nhiễu tạo

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 18

bởi hệ thống nhận thức tại bộ nhận không nhận thức nằm dưới mức ngưỡng chấp nhận được Và để đáp ứng được điều này, bằng cách sử dụng nhiều anten để hướng tín hiệu tạo bởi hệ thống nhận thức tránh xa bộ nhận không nhận thức hoặc bằng cách sử dụng một băng thông rộng để tín hiệu nhận thức có thể trải ra (spread) dưới mức nhiễu nền (noise floor), và tại bộ nhận nhận thức thì tín hiệu được despread lại Cở sở của kỹ thuật này là kỹ thuật trải phổ và truyền thông siêu băng rộng (ultrawideband) Ngoài ra, công suất phát đầu ra của bộ phát nhận thức cũng bị kiểm soát để đảm bảo tín hiệu của

nó vẫn dưới mức ngưỡng quy định Mô hình này thường được sử dung phổ biến cho dải phổ tần có cấp phép (ví dụ Ultrawideband) [2]

Tóm lại, trong chế độ Underlay, Secondary User sẽ tồn tại song song với Primary User trong dải phổ tần được cấp phép, việc hoạt động của Secondary User, miễn là năng lượng truyền của Secondary User không gây can nhiễu vượt quá mức chịu đựng của Primary Rx, vẫn đảm bảo cho Primary User hoạt động hiệu quả

Mô hình này sẽ được áp dụng trong việc nghiên cứu đánh giá hiệu năng bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức dưới tác động của can nhiễu sơ cấp

Mô hình Overlay

Điều kiện đầu tiên cho phép hệ thống này hoạt động là những bộ phát nhận thức (cognitive transmitter) phải biết được thông tin về bảng mã (codebook) và thông điệp (message) của hệ thống không nhận thức (uncognitive) gửi đi Những thông tin của message hoặc codebook của người dùng không nhận thức (noncognitive user) có thể được khai thác bằng nhiều cách khác nhau để hủy hoặc giảm can nhiễu tại bộ nhận của

hệ thống nhận thức và không nhận thức Nói một cách khác, người dùng nhận thức có thể sử dụng những thông tin này và gán một phần năng lượng cho việc truyền của chính nó và phần năng lượng còn lại để hỗ trợ chuyển tiếp cho việc truyền của hệ thống không nhận thức Bằng cách phân chia năng lượng cẩn thận, việc tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của người dùng không nhận thức (noncognitive user’s SNR) do sự

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 19

trợ giúp từ chuyển tiếp nhận thức có thể bù đắp chính xác sự sụt giảm SNR của người dùng không nhận thức do nhiễu gây ra bởi phần năng lượng còn lại mà hệ thống nhận thức sử dụng cho việc truyền thông của chính mình Mô hình này có thể được áp dụng cho dải tần có cấp phép hoặc không được cấp phép Trong dải tần được cấp phép, người dùng nhận thức sẽ được phép chia sẻ băng tần với người dùng được cấp phép vì chúng không gây nhiễu mà còn cải thiện được liên lạc của hệ thống được cấp phép Trong dải tần không được cấp phép, người dùng nhận thức sẽ cho phép sử dụng hiệu quả quang phổ cao hơn bằng cách khai thác các thông tin của message và codebook [2]

không gian – thời gian – tần số (space-time-frequency), được gọi là spectrum holes,

không được sử dụng trong cả băng tần được cấp phép và không cấp phép Những khoảng trống này có thể thay đổi theo thời gian và vị trí địa lý và có thể được khai thác bởi người dùng nhận thức để thông tin liên lạc Vì thế việc sử dụng quang phổ được cải

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 20

thiện bởi cơ hội tái sử dụng tần số thông qua các spectrum hole Trong kỹ thuật interweave đòi hỏi phải biết được thông tin hoạt động của hệ thống không nhận thức (noncognitive) trong phổ tần (cấp phép hoặc không cấp phép)

Tóm lại, mô hình mạng vô tuyến nhận thức mode interweave là một hệ thống thông tin liên lạc không dây thông minh, theo dõi định kỳ phổ tần sóng vô tuyến, phát hiện các lỗ trống trong các khu vực khác nhau của phổ tần và sau đó truyền thông qua các lỗ trống này với sự can thiệp nhiễu tối thiểu tới những người dùng đang hoạt động Và trong quá trình hoạt động, CR user cũng phải thường xuyên giám sát để trả lại phổ tần cho PUs khi nó active trở lại [2]

Thông tin kênh (Channel

Side Information): Bộ phát

nhận thức (Thứ cấp) biết

được thông tin kênh đến bộ

nhận không nhận thức (sơ

cấp)

Người dùng nhận thức có

thể truyền tải đồng thời với

người dùng không nhận

thức miễn là nhiễu gây ra

thấp hơn giới hạn chấp

nhận được

Message Side Information:

các node nhận thức biết được độ lợi của kênh, bảng

mã (codebook) và các thông điệp (message) của người dùng không nhận thức

Người dùng nhận thức có thể truyền tải đồng thời với người dùng không nhận thức, và nhiễu gây ra cho người dùng không nhận thức có thể được bù đắp bằng việc sử dụng 1 phần công suất của người dùng

Activity Side Information: người dùng nhận thức biết được thông tin lỗ phổ trống không gian – thời gian – tần số trong phổ tần khi người dùng không nhận thức đang không sử dụng

Người dùng nhận thức không truyền tải đồng thời với người dùng không nhận thức, ngược lại nó chỉ truyền khi phát hiện lỗ phổ trống trong phổ tần

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 21

Công suất phát của người

dùng nhận thức bị hạn chế

bởi giới hạn nhiễu

nhận thức để hỗ trợ chuyển tiếp thông tin cho người dùng không nhận thức

Người dùng nhận thức có thể truyền với công suất bất

kỳ vì nhiễu gây ra cho người dùng không nhận thức đã được bù đắp bằng cách hỗ trợ chuyển tiếp thông tin cho người dùng không nhận thức

Năng lượng của bộ phát người dùng nhận thức bị hạn chế bởi phạm vi cảm nhận lỗ trống của nó

c) Mô hình lớp mạng cơ bản của mạng vô tuyến nhận thức

Hình 13: Chức năng từng lớp mạng của CR [3]

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 22

PHY layer: spectrum sensing là chức năng chủ yếu cho phép CR user xác định được

spectrum holes, trong khi Environmental Learning giúp CR user biết được các thông tin về trạng thái kênh truyền và hệ số kênh truyền Từ các thông số đầu ra này, CR sẽ tối ưu việc truyền và thay đổi các thông số truyền cần thiết

MAC layer: bao gồm chức năng Sensing Scheduling và kiểm soát phổ truy cập

(Spectrum-Aware Access Control) Sensing scheduling kiểm soát các hoạt động cảm biến phổ (sensing), trong khi Spectrum-Aware Access Control quản lý việc truy cập vào các lỗ trống (spectrum holes) đã được xác định Bộ điều phối Sensing-Access sẽ kiểm soát hoạt động của hai chức năng này trong một khoảng thời gian bằng cách cân bằng giữa yêu cầu cảm biến phổ (Sensing) và cơ hội truy cập phổ mà người dùng CR

có thể đạt được sao cho có sự kết hợp tốt nhất

Network layer: 1) network tomography; 2) quality of service (QoS) and error control; và 3) spectrum-aware routing [3]

Cuối cùng Spectrum Manager sẽ liên kết ba lớp lại với nhau và hỗ trợ truy cập các dải tần trống một cách linh động và hiệu quả

d) Chức năng của vô tuyến nhận thức

Vô tuyến nhận thức có 4 chức năng chính:

 Cảm biến phổ (Spectrum Sensing)

 Quản lí phổ (Spectrum Management): Sau khi cảm biến phổ và quyết định được

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

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 23

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

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

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

rất nhiều CR cùng hoạt động Do vậy cần phải có chức năng chia sẻ phổ giữa các CR để có thể cùng sử dụng dải băng tần một cách công bằng, hợp lý tránh đụng độ nhau

Hình 14: Sử dụng phổ linh hoạt e) Kỹ thuật cảm biến phổ (Spectrum-Sensing)

Rõ ràng, việc cảm biến phổ là nhiệm vụ thiết yếu của mạng vô tuyến nhận thức, nó cho phép người dùng vô tuyến nhận thức có thể phát hiện ra khoảng phổ trống và có cơ hội để tận dụng những khoảng tần số này mà không ảnh hưởng gì đến hệ thống đang

tồn tại

Như đã nói ở trên, lỗ phổ (spectrum hole) là một dải tần số được gán cho PUs nhưng không được sử dụng ở một thời điểm và vị trí nhất định Trong một số phần của dải tần, ví dụ như băng tần truyền hình, trong băng tần này những chương trình truyền hình

có thể xác định trước một số vùng tần số khác nhau trong dải tần Do đó, thông tin lỗ phổ trống có thể được broadcast tới các SU nằm trong vùng phủ sóng Khi đó, cảm

có thể truyền tin cậy đến CR Rx thông qua các lỗ phổ trống đã được xác định Ngược lại, thì CR user không được phép sử dụng băng tần Việc xác định lỗ phổ trống thông qua việc xác định Primary Rx ở gần đó được gọi Direct Spectrum Sensing

Hình 15: Nguyên lý cảm biến phổ

Rõ ràng, việc phát hiện Rx là một nhiệm vụ đầy thử thách, vì Rx thường không truyền tín hiệu khi nó hoạt động Vì thế, hầu hết các ý tưởng cảm biến phổ đang tồn tại xác định các lỗ phổ trống bằng cách phát hiện Primary Tx Trong hình 15, gọi D là phạm vi truyền của Primary Tx, R là phạm vi gây nhiễu của CR Tx Khi đó CR Tx cần phát hiện sự tồn tại của Primary Tx đang hoạt động trong vòng khoảng cách D + R

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 25

Nếu khoảng cách giữa Primary Tx và CR Tx lớn hơn khoảng cách D + R, khi đó sẽ không có bất kỳ Primary Rx nào đang hoạt động trong phạm vi gây nhiễu của CR Tx, khi đó CR Tx có thể truy cập sử dụng băng tần phổ này Ngược lại, Primary Rx nằm trong phạm vi gây nhiễu của CR Tx và bị nhiễu bởi việc truyền của nó Vì thế xác định

lỗ phổ trống bằng cách xác định Primary Tx được gọi là Indirect Spectrum Sensing

So sánh với Direct Spectrum Sensing, Indirest Spectrum Sensing đòi hỏi phạm vi phát hiện lớn hơn từ R đến R + D Do vậy, indirect spectrum sensing cần phát hiện được những tín hiệu rất yếu của hệ thống sơ cấp, điều này làm cho hoạt động cảm biến phổ gặp nhiều thử thách Hơn nữa, khi tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của tín hiệu sơ cấp được đo tại CR Tx là quá thấp, lúc này CR Tx không thể nào phát hiện được primary

Tx [3]

Direct Spectrum Sensing: Thông thường, hệ thống PU được chia thành 2 loại:

truyền thông một chiều và truyền thông 2 chiều Và một vài phương pháp cảm biến phổ tương ứng với 2 loại này:

- Local Oscillator Detection, phát hiện Rx bằng năng lượng dao động nội rò rỉ

bức xạ ra ngoài anten trong quá trình chuyển đổi tín hiệu từ tần số sóng mang sang tần số trung tần tại bộ thu Rx

- Proactive Detection, phát hiện Primary Rx bằng cách CR Tx sẽ chủ động phát

tín hiệu âm thanh và lắng nghe tín hiệu trả lời của Primary Rx

Indirect Spectrum Sensing: Trong nguyên lý phát hiện Primary Tx, cảm biến phổ

không trực tiếp dựa vào sự tồn tại hay không tồn tại của tín hiệu Primary Ký hiệu tín hiệu đến từ Primary Tx và được nhận tại CR Rx là s n , H1 và H0 thể hiện sự tồn tại

và không tồn tại của tín hiệu từ Primary Khi đó tín hiệu nhận tại CR Rx có thể được biểu diễn:

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 26

        0

1

, ,

- Matched Filter Detection: Phương pháp bộ lọc thích nghi Khi CR user thu được

tín hiệu từ Primary Tx, bộ Matched Filter Dectection được sử dụng cho cảm biến phổ, nó là bộ detector tối ưu trong môi trường AWGN Để có thể thực hiện quá trình nhận dạng bằng bộ lọc thích nghi thì các secondary user trong hệ thống

CR cần phải có được đầy đủ những thông tin: băng thông, tần số trung tâm, dạng điều chế và tốc độ baud, định dạng khung và dạng xung của tín hiệu nguồn phát đi và cần phải đạt được sự liên kết với tín hiệu nguồn về thời gian, đồng bộ sóng mang và lượng tử kênh Nếu bộ lọc thích nghi không nắm được đầy đủ và chính xác những kiến thức về tín hiệu nguồn thì bộ lọc thích nghi sẽ không hoạt động hiệu quả Tuy nhiên, ngày nay hầu hết các hệ thống viễn thông không dây

đều có các: pilot, preambles, synchronization word hoặc spreading codes để có

thể giúp cho quá trình tách sóng đạt hiệu quả cao

- ED (Energy Detection): Phương pháp cảm biến phổ bằng năng lượng Khi CR

user không thu được tín hiệu từ Primary Tx, khi đó ED được sử dụng để cảm biến phổ, và nó hoạt động chỉ duy nhất dựa vào năng lượng nhiễu mà CR user thu được Theo phương pháp phát hiện bằng năng lượng này, giải thuật để đưa

ra quyết định có được sử dụng khoảng phổ đó hay không là dựa vào sự so sánh của tín hiệu đầu ra của bộ cảm biến này với một mức ngưỡng đã xác định trước Gọi Y là năng lượng đầu ra của bộ cảm biến với m mẫu m  2

i n

Y  y n Ngưỡng quyết định của ED có thể được thực hiện bằng việc so sánh Y với ngưỡng 

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 27

1 0

,,

Kiến trúc chung của một hệ thống thu phát CR được minh họa như hình dưới đây

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

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 16: Bộ thu phát CR

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 28

Hình 17: Bộ thu phát CR

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:

 RF Filter: có tác dụng chọn được khoảng băng thông mong muốn bằng cách

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 LNA thường có từ một đến ba tầng khuếch đại tuyến tính, có điều hưởng chọn lọc tần số-băng thông tín hiệu mong muốn Có tác dụng khuếch đại tín hiệu mong muốn đồng thời giảm tín hiệu nhiễu

 MIXER: tại bộ đổi tần thì tín hiệu thu được 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

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 29

 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

g) Các chuẩn của hệ thống vô tuyến nhận thức

 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 thì không có sự kết hợp Để giải quyết vấn đề này, thì việc kết hợp giữa các nhóm lại với nhau về cả trong công nghiệp, về kỹ năng và các tổ chức khác thì 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 được xây dựng để định địa chỉ cho các điều đã được ban hành liên quan tới sự phát triển, triển khai cài đặt và xây dựng một hệ thống CR và hệ thống

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 30

quản lý phổ phù hợp IEEE SCC 41 thì bao gồm 4 nhóm làm việc chính và 1 nhóm nghiên cứu Mỗi nhóm có nhiệm vụ cho mỗi chuẩn cho các khía cạnh khác nhau của hệ thống CR Mỗi chuẩn trong IEEE 1900 thì được hướng tới mỗi nhóm làm việc Sau khi hoàn thành xong các tài liệu phác thảo thì các nhóm làm việc này sẽ gửi các bản thảo này lên cho IEEE để bình chọn, việc bình chọn này được thực hiện bởi IEEE Standards Association (SA) Nếu mà không được bình chọn thì hệ thống sẽ loại trừ bản thảo này Sau khi quyết định, bản thảo sẽ được bình chọn 1 lần nữa Phương pháp này thì chắc chắn rằng các chuẩn sẽ được dùng trong những công việc khác nhau trong hệ thống

CR 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 kĩ thuật khác Tiêu chuẩn cũng mô tả sự tương tác giữa những khái niệm Chuẩn IEEE 1900.1 thì được sử dụng như là 1 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: tiêu chuẩn này liên quan tới các đề nghị trong thực tế của nhiễu và sự

tồn tại đồng thời của phân tích Trong hệ thống CR, nhiều hệ thống không dây và dịch vụ được cho phép cùng tồn tại trong cùng 1vị trí ở cùng 1 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 để 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 thì 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 việc chính của tiêu chuẩn này là đảm bảo sự tồn

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 31

tại đồng thời và sự phù hợp 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 thì liên quan đến sự cung cấp đồng thời cho việc tái

cấu hình các giao diện không dây 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

Cũng có những tiêu chuẩn IEEE khác mà cũng liên quan tới các luật lệ của hệ thống không dây và hệ thống CR như IEEE 802.18, 19, 21, 22 IEEE 802.18 là một tiêu chuẩn được dùng cho các nhóm có trách nhiệm về sự tham gia và sự giám sát quá trình tiến triển của các hoạt động của sóng vô tuyến trong nhiều hệ thống khác nhau ví dụ như IEEE 802.11 WLAN, IEEE 802.15 WPAN, IEEE 802.16 WMAN, IEEE 802.20 Mobile WLAN, IEEE 802.22 WRAN Nhóm tiêu chuẩn IEEE 802.18 này có thể đưa ra các nhận xét đến các tiêu chuẩn của bộ điều chỉnh để thông tin tới các nhu cầu của truy cập phổ IEEE 802.19 là nhóm tiêu chuẩn dùng trong sự tồn tại đồng thời Nhóm này

sẽ định địa chỉ cho các giả thiết tồn tại đồng thời giữa các hệ thống không dây dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802 (ví dụ như IEEE 802.11 và Bluetooth) Trong trường hợp này, khi một tiêu chuẩn mới cho một mạng không dây chưa đăng ký được giới thiệu, nhóm tiêu chuẩn IEEE 802.19 sẽ xét sự đảm bảo của các tiêu chuẩn đó để chắc chắn rằng tiêu chuẩn mới này sẽ cùng tồn tại với sự tồn tại của kỹ thuật đang hoạt động trong cùng 1 phổ Chuẩn IEEE 802.21 là một chuẩn mới cung cấp khả năng quản lý phổ linh động cho cả kỹ thuật đồng bộ và không đồng bộ Nó là tiêu chuẩn cơ bản cho hệ thống không dây mà các thiết bị di động có thể sử dụng kỹ thuật không dây này IEEE 802.22

là 1 kỹ thuật không dây mới cung cấp dữ liệu thông tin trên một khu vực rộng lớn Kỹ thuật này sẽ hoạt động trên băng tần TV Tuy nhiên, để chắc chắn rằng các dịch vụ cũ không bị nhiễu bởi các thiết bị IEEE 802.22, thì hệ thống truy cập phổ linh động được đề cập tới Mối quan hệ giữa các thành phần IEEE SCC 41 như hình vẽ:

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 32

Hình 18: Mối quan hệ giữa các thành phần IEEE SCC 41

 Chuẩn IEEE 802.22 cho khu vực mạng không dây (wireless regional area

networks (WRANs))

Có nhiều khoảng băng tần TV chưa được sử dụng 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 54-862MHz ở Nam Mĩ 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 mạng 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

HVTT: Nguyễn Đức Trọng 33

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 thì

hướng đến các tần số mà dựa vào đa truy cập phân tần 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 WLANs 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 cho hơn 10 người dùng trên 1 mạng tế bào với đường truyền lên và truyền xuống với lưu lượng lần lượt là 1.5Mbps và 384 kbps

Lớp MAC trong 802.22: Hình 19 và 20 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 (SCH) 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 SCH được sử dụng để thiết bị sử dụng đầu tiên CPE (consumer premise equipment) đồng bộ với BS Nó bao gồm tất cả các thông tin về CPE để bắt đầu kết nối Chú ý rằng, 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 Chú ý rằng 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