Đây là mạng mà các thông số tuyền hoặc nhận có thể thay đổi đểthực hiện việc truyền thông một cách có hiệu quả nhằm tận dụng các phổ tần rỗihay còn gọi là hố phổ nhưng không làm ảnh hưởn
1
Tổng quan và các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
Theo FCC, phổ tần có đăng ký đƣợc sử dụng trung bình chỉ khoảng 15-85%
[1] và đặc biệt là phổ tần trên 3 GHz ít đƣợc sử dụng nhƣ một cuộc nghiên cứu đƣợc thực hiện tại ở Berkeley [5] Kết quả đo đạt việc sử dụng phổ (hình 1 – 1) nhƣ sau: sử dụng phổ ở dải tần 3-4 GHz và 4-5 GHz chỉ chiếm lần lƣợt là 0.5% và 0.3% Từ sự mất cân đối này, một bài toán lớn đặt ra cho các nhà nghiên cứu là tìm ra một phương pháp truyền thông nhằm tận dụng mọi phổ tần rỗi.
Hình 1 - 1 Tình hình sử dụng phổ tại Trung tâm nghiên cứu mạng không dây Berkeley (Berkeley Wireless Research Center), Đại học California tại Berkeley,
Nhƣ đã đề cập ở trên, phần lớn các mạng không dây hiện nay sử dụng phương pháp cấp phát phổ cố định Đây là một phương pháp cấp phát rất không hiệu quả vì nhu cầu băng thông có đăng ký thay đổi nhiều theo thời gian và không gian.
Từ những khó khăn nhƣ đã nêu ở trên, Joseph Mitola III [3] công tác tại KTH, Học Viện Công Nghệ Hoàng Gia (The Royal Institute of Technology), Stockholm, Thụy Điển lần đầu tiên đưa ra ý tưởng về mạng mạng vô tuyến nhận thức - Cognitive Radio (CR).
Mạng CR là một lĩnh vực khá mới mẻ và đầy triển vọng cho truyền thông không dây trong những năm gần đây Việc thiết kế các hệ thống CR đáp ứng đƣợc các yêu cầu của một mạng CR là vô cùng quan trọng nhằm tận dụng đƣợc các phổ tần rỗi Điều này cũng có nghĩa là sẽ giải quyết đƣợc vấn đề về sự hạn hữu phổ tần của các mạng di động.
Cognitive radio (CR): là sóng vô tuyến dựa trên nhận thức CR là một mô hình sử dụng cho truyền thông không dây, ở mô hình này mạng hoặc nút mạng thay đổi tham số truyền hoặc nhận (các tham số: phổ hoạt động, điều chế, và công suất truyền tải) để truyền thông có hiệu quả nhằm tránh nhiễu với những người sử dụng có đăng ký hoặc không đăng ký Sự thay đổi các tham số này dựa trên việc kiểm tra một số yếu tố bên trong và bên ngoài của môi trường vô tuyến, chẳng hạn như phổ tần số vô tuyến, hành vi người sử dụng và tình trạng của mạng Sự linh hoạt này làm cho CR có thể tận dụng phổ tần không sử dụng, cải thiện tốc độ và độ tin cậy của các dịch vụ không dây.
Chức năng chính của CR :
Cảm biến phổ: phát hiện phổ không sử dụng và chia sẻ phổ này mà không gây nhiễu cho người sử dụng khác Yêu cầu quan trọng của mạng CR là cảm biến các hố phổ Việc phát hiện PU là cách hiệu quả nhất để phát hiện hố phổ Kỹ thuật cảm biến phổ có thể chia thành 3 loại:
Phát hiện thiết bị phát: CR phải có khả năng xác định nếu một tín hiệu từ một thiết bị phát PU xuất hiện trong một phổ nhất định.
Phát hiện dựa trên nhiễu
Kiểm soát phổ: nắm đƣợc phổ có sẵn tốt nhất để đáp ứng các yêu cầu truyền thông người sử dụng CR phải quyết định dải phổ tốt nhất để
- 2 - đáp ứng các yêu cầu QoS qua tất cả các dải phổ có sẵn Chức năng kiểm soát có thể chia thành:
Phân tích phổ (spectrum analysis)
Quyết định phổ (spectrum decision)
Tính di động của phổ: được định nghĩa như là quá trình khi người sử dụng CR thay đổi tần số hoạt động Các mạng CR hướng đến sử dụng phổ động bằng cách cho phép các đầu cuối hoạt động trong dải tần số có sẵn tốt nhất, đảm bảo các yêu cầu truyền thông liên tục trong suốt quá trình chuyển tiếp sang phổ tốt hơn.
Chia sẻ phổ: cung cấp phương pháp lập lịch phổ hợp lý Một trong những khó khăn chính trong việc sử dụng phổ mở là chia sẻ phổ Có thể xem giống nhƣ vấn đề điều khiển truy cập môi trường (Medium Access Control – MAC) đang tồn tại trong các hệ thống. Ở Việt Nam, đây là lĩnh vực khá mới mẻ nên số lƣợng đề tài nghiên cứu về lĩnh vực này còn khá ít Một số đề tài điển hình là đề tài Thạc sỹ của Trương Minh
Chính,“Cảm nhận phổ theo mô hình phân tán hợp tác trong mạng radio có ý thức bằng kỹ thuật lấy mẫu nén” Hay là đề tài của sinh viên Lê Đình Huy “Cảm nhận phổ hợp tác trong vô tuyến có ý thức (Cooperative Spectrum Sensing in Cognitive Radio)”,và đề tài của hai sinh viên Mai Thanh Nga và Trần Ngọc Dũng:“Nghiên cứu thiết kế anten và phương pháp ước lượng phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio)”.Một đề tài khác nghiên cứu về ảnh hưởng của fading đến hệ thống mạng vô tuyến nhận thức của Lâm Sinh Công “Effect of Shadowing/fading in
Một số công trình nghiên cứu ở nước ngoài: ở bài báo [5] người ta dùng phương pháp cảm biến đặc tính dựa trên ổn định vòng để phát hiện tín hiệu PU. Trong bài viết [1] đề cập kiến trúc của CR và cũng đã nêu ra các phương pháp cảm biến phổ dựa trên năng lƣợng, cảm biến dùng matched filter và cảm biến đặc tính dựa trên ổn định vòng.
Mục tiêu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu
Từ những phân tích trên, mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu các kỹ thuật cảm biến phổ trong mạng vô tuyến nhận thức.
Khách thể nghiên cứu là mạng vô tuyến nhận thức. Đối tƣợng nghiên cứu là tham số phổ của mạng vô tuyến nhận thức, cách thức phát hiện có hay không về sự hiện diện của PU trong môi trường SU đang hoạt động.
Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu
Nhiệm vụ của đề tài là nghiên cứu, tìm hiểu một thế hệ mạng không dây mới đó là mạng vô tuyến nhận thức và tìm hiểu các kỹ thuật cảm biến phổ để nhận biết sự hiện diện của Pu trong môi trường mà SU đang hoạt động Song, vì điều kiện không cho phép về thời gian cũng nhƣ thiết bị và tài liệu nghiên cứu nên đề tài này chỉ giới hạn ở một số nhiệm vụ sau:
Tìm hiểu tình hình thực tế về việc sử dụng phổ tần hiện nay, các yêu cầu cấp thiết đang đặt ra.
Tìm hiểu tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức.
Nghiên cứu giải thuật cảm biến phổ áp dụng trong mạng vô tuyến nhận thức nhằm tối ƣu hóa việc sử dụng tài nguyên phổ.
Bên cạnh đó, đề tài cũng tiến hành tìm hiểu cấu trúc phần cứng ARM
Triển khai các giải thuật cảm biến phổ đã mô phỏng trong phần mềm
Phạm vi nghiên cứu: thời gian thực hiện đề tài 6 tháng để nghiên cứu tài liệu, nghiên cứu các giải thuật đã thực hiện trong các đề tài trong và ngoài nước; nghiên cứu áp dụng và mô phỏng giải thuật cảm biến phổ trong cấp phát tài nguyên phổ cho mạng vô tuyến nhận thức Đồng thời, đề tài cũng tiến hành triển khai các giải thuật đã mô phỏng trong phần mềm Matlab trên KIT ARM LM3S2965.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: tìm kiếm, đọc và nghiên cứu tài liệu về mạng vô tuyến nhận thức, tài liệu về ARM, tài liệu về ARM LM3S2965 của hãng Texas Instruments từ thư viện của trường và chủ yếu là từ internet.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng giải thuật đã đã nghiên cứu và sử dụng KIT ARM LM3S2965 Evaluation để triển khai các giải thuật cảm biến phổ đã mô phỏng trong phần mềm Matlab.
6
Hố phổ
Nhƣ đã đề cập phần trên, phổ tần đƣợc sử dụng chỉ chiếm tỉ lệ thấp và nhu cầu băng thông có đăng ký thay đổi nhiều theo thời gian và không gian Những phổ tần rỗi này đƣợc gọi là “hố phổ” CR ra đời nhằm tận dụng tối đa những phổ tần rồi này để đáp ứng nhu cầu sử dụng các dịch vụ không dây ngày càng cao của con người và giải quyết vấn đề phổ tần là hữu hạn.
Trong mạng vô tuyến nhận thức thì mạng này cho phép sử dụng tạm thời các phổ tần không sử dụng Khi người sử dụng có cấp phép cần sử dụng lại phổ tần của họ thì CR sẽ chuyển sang một hố phổ khác hoặc thay đổi các thông số phát để không làm ảnh hưởng đến người sử dụng có cấp phép Người ta áp dụng một kỹ thuật để truy cập vào phổ tần gọi là kỹ thuật truy cập phổ tần động (Dynamic Spectrum Access - DSA) để lắp đầy các hố phổ này.
Hình 2 - 1 Minh họa “Hố phổ” [1]
Vô tuyến đƣợc định nghĩa bằng phần mềm SDR
Software Defined Radio – SDR [2], [9] là một kỹ thuật vô tuyến sử dụng một nền tảng phần cứng thống nhất để cung cấp các tiêu chuẩn thông tin, các lƣợc đồ điều chế và tần số khác nhau thông qua các module phần mềm Nó hỗ trợ việc triển khai các hệ thống thông tin vô tuyến đa băng tần và đa chuẩn Cụ thể, SDR đƣợc định nghĩa là một tập hợp các kỹ thuật phần cứng và phần mềm trong đó một vài hoặc toàn bộ các chức năng hoạt động của vô tuyến (còn đƣợc gọi là xử lý lớp vật lý) đƣợc thực hiện thông qua phần mềm hoặc firmware có thể thay đổi hoạt động dựa trên các kỹ thuật xử lý lập trình đƣợc Các thiết bị này gồm có các ma trận cổng logic bán dẫn trường cho phép lập trình được FPGA (Field Programmable Gate Arrays), các bộ xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processor), các bộ xử lý đa dụng GPP (General Purpose Processor), hệ thống trên chip lập trình đƣợc SoC (System on Chip) hoặc các bộ xử lý có thể lập trình theo ứng dụng cụ thể khác Việc thiết kế các hệ thống SDR đã mở ra một khía cạnh mới trong lĩnh vực thông tin liên lạc.
Hình 2 - 2 Cấu trúc phần cứng của thiết bị SDR [2]
Trước kia, các hệ thống thông tin (không dây) được thực thi trên bởi một phần cứng chuyên dụng dựa trên các tham số riêng của hệ thống đó Điều này khác với cách người ta sử dụng máy tính để chạy các chương trình và ứng dụng khác nhau trên cùng một phương tiện tính toán SDR cho phép nhiều hệ thống thực thi các chương trình trên cùng platform phần cứng.
Hình 2 - 3 Cấu trúc phần mềm của thiết bị SDR [2]
Mối liên hệ giữa CR và SDR
Như được đề cập ở phần trước, một trong các đặc tính chính của vô tuyến nhận thức là khả năng thích nghi với các tham số vô tuyến (gồm tần số, công suất, phương thức điều chế, băng thông) có thể thay đổi phụ thuộc vào môi trường, tình trạng của người sử dụng, điều kiện mạng, vị trí địa lý,… SDR có thể cung cấp một tính năng vô tuyến rất linh hoạt bằng cách tránh sử dụng các linh kiện và mạch analog dành cho ứng dụng cụ thể Vì thế, CR cần đƣợc thiết kế dựa trên SDR Mặt khác, SDR là công nghệ lõi cho CR Hình 2 – 4 bên dưới là một trong những mô hình đơn giản nhất mô tả mối liên hệ giữa CR và SDR Trong mô hình này, SDR là một phần trong hệ thống CR Ở đây, CR là sự kết hợp của cơ chế nhận thức (cognitive engine), SDR, và những chức năng hỗ trợ khác Cơ chế nhận thức đóng vai trò tối ƣu hóa và điều khiển SDR dựa trên một số tham số mà nó cảm biến và học được từ môi trường vô tuyến, tình trạng người sử dụng, và điều kiện mạng Cơ chế nhận thức chú ý đến tài nguyên và khả năng của phần cứng cũng nhƣ các thông số đã đề cập SDR đƣợc xây dựng dựa trên phần mềm xử lý tín hiệu số và phần mềm có thế điều chỉnh tần số cao tần RF (Radio Frequency) Do đó, SDR có thể hỗ trợ nhiều chuẩn (cụ thể là: GSM, EDGE, WCDMA, CDMA2000, Wi-Fi, WiMAX)
- 8 - và các công nghệ đa truy cập (Ví dụ nhƣ: Time Division Multiple Access (TDMA), Code Division Multiple Access (CDMA), Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), and Space Division Multiple Access (SDMA).)
Hình 2 - 4 Mối liên hệ giữa SDR và CR [9]
SDR là một công nghệ mang đầy hứa hẹn để tạo ra khả năng nhận thức của mạng CR Chẳng hạn nhƣ, một trong những khả năng quan trọng của CR là hệ thống quản lý phổ động Cảm biến phổ, cơ chế tối ƣu hóa để tận dụng một phần phổ nào đó, và điều chỉnh phổ là các bước chính trong các hệ thống quản lý phổ Trong trường hợp phổ, các thiết bị cảm biến phổ có thể được nhúng vào bên trong SDR hoặc liên kết với SDR từ bên ngoài Ví dụ, antenna có thể đƣợc xem nhƣ là cảm biến nội của SDR và video camera cảm biến ngoài Mặt khác, SDR có thể có một
- 9 - cấu trúc giống nhƣ một máy phân tích phổ mini để cung cấp thông tin về phổ cho cơ chế nhận thức. a) b)
Hình 2 - 5 Cơ chế nhận thức hay còn gọi là Cognitive Cycle a) Do Mitola đƣa ra
Chức năng các khối (hình 2 – 5 b):
Spectrum sensing: CR giám sát phổ tần rỗi, nắm bắt thông tin của phổ tần đó, và phát hiện hố phổ (spectrum holes).
Spectrum analysis: mô tả hố phổ đã đƣợc phát hiện thông qua spectrum sensing.
Spectrum decision: CR quyết định tốc độ dữ liệu, chế độ truyền và băng thông truyền tải Sau đó, sau đó phổ tần tương ứng sẽ được chọn theo đặc tính phổ và yêu cầu của người sử dụng.
Sơ đồ khối của thiết bị thu phát CR
Hình 2 - 6 Kiến trúc vật lý của CR a) kiến trúc của thiết bị thu phát CR b) kiến trúc front-end RF/analog băng rộng
Cấu tạo chính của thiết bị thu phát CR (CR transceiver) [1] nhƣ hình 2 – 6a gồm có:
Đầu vào vô tuyến (front-end radio).
Đơn vị xử băng tần cơ sở (baseband processing unit).
Mỗi bộ phận có thể đƣợc tái cấu hình thông qua một bus điều khiển để thích nghi với môi trường RF thay đổi theo thời gian.
Các thành phần front-end RF/analog trong CR:
RF Filter: có tác dụng chọn đƣợc 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 đƣợc từ máy thu sẽ đƣợc trộn với tần số gốc đƣợc phát ra và đƣợc chuyển tới dải băng gốc hay tần số trung tần.
VCO (Voltage – controlled oscillator): đƣợc biết đến nhƣ là bộ điều chỉnh tần số bằng điện áp Có tác dụng nhƣ bộ khóa pha giúp tần số ra ổn định.
Channel selection filter: đƣợc 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 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 đƣợc 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.
Kiến trúc mạng mạng vô tuyến nhận thức
Các mạng không dây đang tồn tại sử dụng hỗn hợp nhiều chính sách phổ và công nghệ truyền thông khác nhau Hơn nữa, một số phần phổ vô tuyến đã đƣợc cấp phép cho các mục đích khác nhau trong khi một số băng vẫn chƣa đƣợc cấp phép.
Hình 2 - 7 Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức [1]
Các thành phần kiến trúc của mạng vô tuyến nhận thức, nhƣ Hình 2 - 7, có thể phân thành hai nhóm là mạng chính (primary network) và mạng mạng vô tuyến nhận thức Các thành phần cơ bản của hai nhóm mạng này đƣợc xác định nhƣ sau:
Mạng chính (Primary network): Mạng chính có quyền truy nhập tới một vài phổ tần nhất định, chẳng hạn nhƣ mạng TV quảng bá, hay mạng tổ ong nói chung Các thành phần của mạng chính bao gồm:
Người dùng chính (Primary user): Người dùng chính (hay người dùng đƣợc cấp phép) có giấy phép để hoạt động trong một phổ tần nhất định Truy nhập này chỉ được giám sát bởi trạm gốc chính và không bị ảnh hưởng bởi những hoạt động của bất kì người dùng không được cấp phép khác Để cùng tồn tại với các trạm gốc mạng vô tuyến nhận thức và người dùng mạng vô tuyến nhận thức, những người dùng chính này không cần bất cứ sự điều chỉnh hoặc chức năng cộng thêm nào.
Trạm gốc chính (Primary base-station): Trạm gốc chính (hay trạm gốc đƣợc cấp phép) là thành phần cơ sở hạ tầng mạng đƣợc cố định, có giấy phép phổ, nhƣ BTS trong mạng tổ ong Về nguyên tắc, trạm gốc chính không có khả năng chia sẻ phổ với những người dùng vô tuyến nhận thức Tuy nhiên, trạm gốc chính này có thể yêu cầu để có đƣợc khả năng này.
Mạng mạng vô tuyến nhận thức (hay còn gọi là mạng xG, mạng truy cập phổ tần động, mạng thứ cấp, mạng không đƣợc cấp phép): không có giấy phép để hoạt động trong một băng mong muốn Do đó, nó chỉ đƣợc phép truy nhập phổ khi có cơ hội Mạng vô tuyến nhận thức có thể gồm cả mạng có cơ sở hạ tầng và mạng ad-hoc, các thành phần của mạng vô tuyến nhận thức nhƣ sau:
Người dùng vô tuyến nhận thức: (hay còn gọi là người dùng xG, người dùng không được cấp phép, người dùng thứ cấp) không có giấy phép sử dụng phổ Do đó, cần có các chức năng cộng thêm để chia sẻ băng phổ cấp phép.
Trạm gốc vô tuyến nhận thức: (hay còn gọi là trạm gốc xG, trạm gốc không cấp phép, trạm gốc thứ cấp) là thành phần cơ sở hạ tầng cố định với các khả năng của vô tuyến nhận thức Trạm gốc vô tuyến nhận thức cung cấp kết nối đơn chặng tới những người dùng vô tuyến
- 14 - nhận thức mà không cần giấy phép truy nhập phổ Thông qua kết nối này, người dùng vô tuyến nhận thức có thể truy cập đến các mạng khác.
Spectrum broker hay Scheduling server: Bộ chia phổ là một thực thể mạng trung tâm đóng vai trò chia sẻ tài nguyên phổ giữa các mạng xG khác nhau Bộ chia phổ có thể đƣợc kết nối tới mỗi mạng và có thể phục vụ nhƣ là bộ quản lý thông tin phổ cho phép tồn tại của nhiều mạng xG.
Mạng vô tuyến nhận thức bao gồm nhiều loại mạng khác nhau: mạng chính, mạng vô tuyến nhận thức dựa trên cơ sở hạ tầng, và mạng vô tuyến nhận thức ad- hoc Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động dưới môi trường phổ hỗn hợp, bao gồm cả các băng tần cấp phép và không cấp phép Do đó, trong mạng vô tuyến nhận thức, có ba loại truy nhập khác nhau, đó là:
Truy nhập mạng vô tuyến nhận thức (xG network access): Người dùng vô tuyến nhận thức có thể truy nhập tới chính trạm gốc vô tuyến nhận thức ở cả băng cấp phép và không cấp phép.
Truy nhập mạng vô tuyến nhận thức ad-hoc (xG ad-hoc access):
Người dùng vô tuyến nhận thức có thể truyền thông với những người dùng vô tuyến nhận thức khác thông qua kết nối ad-hoc ở cả băng cấp phép và không cấp phép.
Truy nhập mạng chính (Primary network access): Người dùng vô tuyến nhận thức cũng có thể truy cập tới trạm gốc chính thông qua băng cấp phép.
Các ứng dụng của mạng vô tuyến nhận thức
Mạng vô tuyến nhận thức có thể áp dụng trong các trường hợp sau đây:
2.6.1 Mạng cho thuê – leased network
Mạng chính có thể cung cấp mạng cho thuê bằng cách cho phép người dùng
CR truy cập phổ có đăng ký của người dùng chính mà không ảnh hưởng đến truyền thông của người dùng chính.
2.6.2 Mạng mesh nhận thức – cognitive mesh networks
Các mạng mesh không dây băng rộng đang phát triển nhƣ là một công nghệ rất có hiệu quả kinh tế Tuy nhiên, mạng mesh yêu cầu dung lƣợng cao hơn để đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng cần băng thông lớn hơn Do công nghệ CR cho phép truy cập nhiều phổ hơn, nên các mạng CR sẽ là một lựa chọn tốt đáp ứng các yêu cầu của mạng mesh.
Các mạng CR có thể đƣợc triển khai cho các mạng an ninh công cộng và mạng khẩn cấp Trong trường hợp có thảm họa thiên nhiên, khi đó các mạng chính bị vô hiệu hóa tạm thời thì người sử dụng CR có thể sử dụng phổ của các mạng chính này Các mạng CR có thể truyền thông trong các phổ tần rỗi trong chế độ ad- hoc không cần cơ sở hạ tầng và bảo đảm quyền truyền thông và thời gian đáp ứng.
Các mạng CR cho phép thiết bị vô tuyến quân sự để chọn băng tần trung tần tùy ý, kiểu điều chế, kiểu mã hóa, thích nghi với môi trường vô tuyến thay đổi liên tục của chiến trường.
Chuẩn IEEE 802.22 cho mạng không dây cục bộ WRANs
Có nhiều khoảng băng TV còn trống rất nhiều trên nhiều khu vực Nhƣ 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 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 [10] được hướng đến kĩ thuật trong khu vực mang không dây, và mạng này hứa hẹn sẽ cung cấp cho các thiết bị di động trong khu vực bán kính có thể lên đến 100km Do chuẩn IEEE 802.22 dựa trên hệ thống băng TV nên hệ thống CR phù hợp sẽ đƣợc dùng để tránh nhiễu đến các dịch vụ đã đăng kí.
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)) nhƣ 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.
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 một cách hợp lý để tăng cường dung lượng của hệ thống bằng cách sử dụng kĩ thuật liên kết kênh truyền.
Kênh truyền liên kết là kĩ thuật sử dụng bộ ghép kênh cho sự truyền dẫn của dòng dữ liệu đơn Một kĩ 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 đƣợc cung cấp cho chuẩn này Mạng IEEE 802.22 đƣợc mong đợi sẽ cung cấp hơn
10 người dùng trên 1 mạng tế bào với đường truyền lên và truyền xuống với lưu lƣợng lần lƣợt là 1.5Mbps và 384 kbps.
Hình 2 - 8 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 đƣợc truyền đi bởi BS trên những băng TV nào có thể Phần mở đầu đƣợc sử dụng để bảo vệ các dịch vụ truyền thống và trong khi SDH đƣợc 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 Chú ý rằng, bởi vì theo yêu cầu của FCC, thì 2 băng TV còn lại không đƣợc sử dụng để tránh nhiễu cho dịch vụ TV.
Và trong một kết cấu khung trong các khung trên đƣợc đƣa ra nhƣ hình 2 -
8 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 đƣợc 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 đƣợc 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 từ nhận tín hiệu SCH 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.
2.7.3 Cảm biến kênh trong chuẩn IEEE 802.22
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 khỏang băng nên có 2 giao diện đƣợc yêu cầu tại CPE Một anten trực tiếp đƣợc sử dụng để kết nối với
BS, và một anten đẳng hướng được dùng để cảm biến phổ BS hướng dẫn CPE cảm biến băng TV, và kết quả cảm biến sẽ đƣợc gửi trở lại cho BS để xây dựng một bản đồ các phổ trống cho các tế bào đƣợc dùng để quản lý phổ Giao thức MAC cần đƣợc 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 nhƣ hình 2 – 9 để cải thiện hệ thống cho phù hợp Cảm biến nhanh (hay gọi là cảm biến thô), ví dụ nhƣ cảm biến năng lƣợng, thì thực hiện trong thời gian ngắn để giảm sự gián đoạn trong truyền dữ liệu. Kết quả của sự cảm biến này đƣợc sử dụng để phân tích hoạt động của kênh truyền. Nếu có một năng lƣợng truyền dẫn đƣợc 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.
Hình 2 - 8 Cấu trúc siêu khung và cấu trúc một khung trong chuẩn IEEE
Hình 2 - 9 Cơ chế cảm biến thô và tinh trong hệ thống IEEE 802.22 [10]
-19- Đặc biệt, tín hiệu TV số với công suất ngƣỡng là -116 dBm cũng đƣợc phát hiện với xác suất phát hiện gần 0.9 (giá trị lớn nhất của xác suất báo sai là 0.1) Hệ thống dịch vụ thì cần đƣợc phát hiện trong vòng không quá 2 giây sau khi dịch vụ này bắt đầu truyền dữ liệu.
2.7.4 Hướng nghiên cứu trong chuẩn IEEE 802.22
Các thử thách chính của trong mạng IEEE 802.22 có thể tóm tắt nhƣ sau:
Sự tồn tại đồng thời với hệ thống đã đăng kí: để tránh nhiễu của hệ thống đã đăng kí, cần có cảm biến kênh truyền trong dải Một CPE phải thực hiện cảm biến kênh truyền trong dải để báo kết quả lại cho BS BS có thể xây dựng bản đồ phổ trống và có thể thực hiện việc cung cấp các kênh truyền tối ƣu nhất cho tất cả các CPE Các máy móc phù hợp cho việc cảm biến kênh truyền nên đƣợc phát triển.
Sự tự cùng tồn tại (self-conexistence): bởi vì mạng IEEE 802.22 có thể hoạt động trong cùng khu vực mà số lƣợng các máy không đăng kí thì có giới hạn, vì vậy, mạng IEEE 802.22 yêu cầu các kênh truy cập cẩn thận để tránh đụng độ với các kênh khác Giả thiết này thì đặc biệt quan trọng trong hoạt động và hợp tác giữa các mạng IEEE 802.22.Trong phần này, mạng IEEE 802.22 có thể hợp tác lẫn nhau. Phương pháp phù hợp cho hệ thống này đang được phát triển.
Tính kinh tế: bởi vì chuẩn IEEE 802.22 WRAN sẽ dùng băng TV mà nó thuộc về các nhà cung cấp dịch vụ TV Do đó, tính kinh tế và giá cả thì cần đƣợc phát triển cho mục đích thương mại phổ giữa các băng TV được sở hữu với người cung cấp dịch vụ WRAN Số lƣợng của các băng TV thì đƣợc tính toán sao cho giá cả của nó cũng tối ƣu.
Hỗ trợ QoS: phát triển khung công việc của QoS đƣợc cung cấp những loại giao tiếp khác nhau trong mạng IEEE 802.22 đang đƣợc phát triển Nhiều loại giao tiếp cần đƣợc cung cấp bao gồm tốc độ bit không đổi, thời gian thực, và sự nổ lực cao nhất trong giao tiếp.
Trong trường hợp này, bản đồ giao tiếp, nguồn cho phép, và phương pháp cung cấp trong khung công việc của QoS cũng phải đƣợc thiết kế để cung cấp linh động và cơ hội truy cập kênh truyền trong mạng 802.22.
22
Cảm biến phổ dựa trên năng lƣợng - Energy detection
* Cơ sở lý thuyết Ƣớc lƣợng mật độ phổ công suất (Power Spectral Density - PSD) [6]
Trong phần này trình bày phân tích Fourier sử dụng biểu diễn phức Nhiễu đƣợc đặc tả nhƣ là nhiễu Gaussian – AWGN đƣợc ký hiệu w[n] với chiều dài N mẫu phức.
Nhiễu này có giá trị trung bình là 0 (= 0) và phương sai nhiễu là 2
Phân bố xác xuất của w[n] là:
Biến đổi DFT của nhiễu w[n] là:
W[k] mang giá trị phức và đƣợc viết lại nhƣ sau:
Với giá trị trung bình và phương sai là:
Phân bố xác W[k] đƣợc biểu diễn lại là:
Và biên độ của W[k] cho bởi phương trình sau:
PSD là công suất trên đơn vị tần số nhƣ là hàm của tần số Đơn vị là W/Hz.
Có nhiều phương pháp để ước lượng PSD Ở đây ta chỉ xét trường hợp sử dụng periodogram để ƣớc lƣợng PSD.
Periodogram của nhiễu trắng Gauss [ ] là:
Giá trị trung bình của là
Thành phần thứ 4 của biến ngẫu nhiên Gauss với phân bố (0, 2 ) là 3 4
Thay vào các phương trình trên ta có:
Periodogram trung bình có đƣợc bằng lấy trung bình L điểm DFT với K đoạn dữ liệu = ∗ Periodogram trung bình của nhiễu là:
=0 là periodogram của đoạn m của đoạn L từ tín hiệu ( ) Với:
Giá trị trung bình [ ] là:
Theo định lý Parse val chúng ta có:
Thay vào phương trình trên ta có:
Bộ cảm biến phổ bằng phương pháp năng lượng này đơn giản khá đơn giản, và nó có thể đƣợc thực hiện bởi các công cụ Periodogram Kỹ thuật này xác định công suất của tín hiệu thông qua giá trị mật độ phổ công suất của tín hiệu đó Nếu công suất này vƣợt quá giá trị ngƣỡng thì điều đó thể hiện sự có mặt của PU.
PU present or not Decision
Hình 3 - 2 Sơ đồ khối bộ cảm biến phổ dựa trên năng lƣợng Để có đƣợc thể đánh giá chính xác về năng lƣợng của tín hiệu tại tần số mà ta quan tâm, ta phải tính toán để ƣớc lƣợng giá trị của tín hiệu nhận đƣợc Điều đó có nghĩa là việc lấy mẫu các giá trị của tín hiệu là điều cần thiết để có đƣợc kết quả tốt nhất.
Tuy nhiên, bộ cảm biến phổ dựa năng lƣợng vẫn còn đƣợc sử dụng bởi vì nó đơn giản và nó đƣợc sử dụng làm nền tảng cho việc thiết kế những bộ cảm biến mạnh hơn Ngoài ra có đề nghị rằng sử dụng nó để làm dải tần bảo vệ an toàn để đánh giá nhiễu của băng tần PU và tăng khả năng nhận biết nhiễu chƣa xác định.
Cảm biến phổ sử dụng matched filter
Một matched filter [1], [4], [18] là bộ lọc tuyến tính cho ra tỉ số SNR lớn nhất với dạng sóng đã biết trước Để có thể thực hiện quá trình nhận dạng bằng matched filter thì các secondary user trong hệ thống CR cần phải có đƣợc đầy đủ
-26- 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 đƣợc sự liên kết với tín hiệu nguồn về thời gian, đồng bộ sóng mang và lƣợng tử kênh Nếu bộ lọc thích nghi không nắm đƣợc đầy đủ và chính xác những kiến thức về tín hiệu nguồn thì bộ lọc thích nghi sẽ không hoạt động hiệu quả.
PU present or not Decision
Hình 3 - 3 Sơ đồ khối bộ cảm biến phổ sử dụng matched filter [4]
Một matched filter là bộ cảm biến tối ƣu trong một kênh truyền nhiễu AWGN nếu CR biết trước dạng sóng PU.
Matched filter là bộ lọc tối ƣu đƣợc dùng nhằm mục đích khôi phục tín hiệu từ nhiễu, nghĩa là khôi phục lại tín hiệu vào với tỉ số SNR cao nhất có thể và không có nhiễu ISI trước khi đưa vào bộ quyết định để xác định tín hiệu nào được cho qua Ở kỹ thuật này, tín hiệu mà CR nhận đƣợc là tín hiệu ngõ vào của matched filter với = + ( ) là ngõ vào tuyến tính, bất biến đƣợc lấy mẫu tại thời điểm t=T.
Ta có tỉ số SNR tức thời tại thời điểm T là:
Cần tìm hàm truyền 0 ( ) để phương trình 3-30 đạt giá trị lớn nhất với là thành phần tín hiệu ngõ ra bộ lọc tại thời điểm T, 0 2 là phương sai nhiễu.
Chúng ta có thể biểu diễn tín hiệu ( ) tại ngõ ra bộ lọc theo hàm truyền
Với là biến đổi Fourier của tín hiệu x(t) Nếu mật độ phổ công suất của nhiễu ngõ vào là 2 0 watts/hertz thì tao có thể biểu diễn công suất nhiễu ngõ ra nhƣ sau:
Kết hợp phương trình 3-30 và 3-32 ta được:
Tiếp theo, ta tìm công thức = 0 ( ) của bộ lọc để với đáp ứng tần số này, tỉ số đạt cực đại Áp dụng bất đẳng thức Schwarz:
Bất phương trình 3-39 xảy ra dấu “=” có nghĩa là 1 = 2 ∗ ( ) với k là hằng số tùy chọn và * cho biết dạng liên hợp phức Nếu chúng ta xác định H(f) với 1 và 2 với 2 , chúng ta có thể viết:
Thay phương trình (3 - 35) vào phương trình (3 - 33) ta được:
Với E là năng lƣợng tín hiệu vào s(t):
Vì thế, ngõ ra cực đại phụ thuộc vào năng lƣợng tín hiệu vào và mật độ công suất của nhiễu, không phụ thuộc vào hình dạng cụ thể của dạng sóng sử dụng.
Bất phương trình (3 - 34) nghĩa là dấu „=‟ chỉ xảy ra nếu và chỉ nếu hàm truyền bộ lọc tối ưu 0 ( ) được sử dụng, hay:
Do x(t) là giá trị tín hiệu thực, chúng ta có thể viết lại phương trình trên như sau;
Nhƣ vậy, để bộ lọc cho ta đƣợc tín hiệu có SNR cao nhất thì nó cần có đáp ứng xung bằng với ảnh ngƣợc của tín hiệu có ích x(t) và đƣợc làm trễ đi thời gian T.
Cảm biến phổ dựa vào đặc điểm ổn định vòng – Cyclostationary feature
Một phương pháp khác của feature-based detection [5][7], đó là phương pháp phát hiện đặc điểm ổn định vòng (cyclostationary feature detection) Nó có thể giải quyết vấn đề xử lý phức tạp và thời gian trễ của matched filter Nói chung, tín hiệu thông tin đƣợc mô hình hóa nhƣ một quá trình ngẫu nhiên Tuy nhiên, những tín hiệu thường được điều chế với sóng mang hình sin, hoặc những chuỗi xung tuần hoàn, hoặc những tiền tố chu kỳ nào dẫn đến tính tuần hoàn sẵn có Những tín hiệu điều chế này có thể đƣợc mô hình hóa nhƣ một quá trình ngẫu nhiên ổn định vòng (cyclostationary) dựa vào số liệu thống kê của chúng, giá trị trung bình, sự tương quan và tính tuần hoàn Tính tuần hoàn này điển hình đƣợc giới thiệu trong các tín hiệu định dạng để một thiết bị thu có thể khai thác nó: nhƣ pha sóng mang, xung thời gian, hướng tới Phương pháp này có thể được sử dụng cho sự dò tìm tín hiệu ngẫu nhiên với một kiểu điều chế đặc trƣng trong nền nhiễu và những tín hiệu khác.
PU present or not Decision
Hình 3 - 4 Sơ đồ khối của cảm biến phổ dựa vào đặc điểm ổn định vòng
Có thể phân tích tín hiệu ngẫu nhiên cố định dựa vào hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất Nói cách khác, phương pháp này biểu diễn mối tương quan giữa các thành phần phổ riêng biệt Với cyclostationary feature
-29- detection, việc cảm biến tập trung vào xác định các đặc điểm chính mang tính tuần hoàn hơn là cố gắng giải mã và phục hồi toàn bộ dải thông tin nhƣ là matched filter.
Cơ sở lý thuyết của phát hiện dựa vào đặc điểm ổn định vòng [5][7]
Chúng ta giả sử rằng tín hiệu quan sát là WSS (wide-sense stationary) Quá trình WSS có hàm tự tương quan bất biến theo thời gian:
Mối liên hệ giữa mật độ phổ công suất với hàm tự tương quan là:
Khi phân tích một quá trình WSS ta cần biết hoặc ( ) Định nghĩa: Quá trình ổn định vòng là một quá trình WSS và có hàm tự tương quan tuần hoàn theo thời gian.
Hình 3 - 5 Tín hiệu ổn định vòng
Xét tín hiệu x(t) ổn định vòng với chu kỳ T0 Chúng ta có thể thấy giá trị trung bình và hàm tự tương quan của x(t) cũng tuần hoàn theo chu kì T0.
Sự sai khác thời gian tương đối là vô cùng quan trọng và tự tương quan vòng có thể biểu diễn theo t và : ( + 2 , − 2 ) Từ phương trình này tuần hoàn theo thời gian t với chu kỳ 0 và có thể biểu diễn nhƣ là chuỗi Fourier.
Với ∝= và m là số nguyên m=0,1,2… Hệ số Fourier phụ thuộc tham số ,
0 còn được gọi là hàm tự tương quan vòng và được cho bởi phương trình:
Hàm tự tương quan vòng ∝ là dạng biến đổi trong miền thời gian Còn trong miền tần số, biến đổi Fourier của nó kí hiệu là ∝ được cho bởi phương trình:
∝ là hàm tương quan phổ (SCF) Nó có thể biểu diễn tương quan giữa hai thành phần phổ tại tần số ( + ∝ 2 ) và ( − ∝ 2 ) Tuy nhiên, trong thực tế số lượng mẫu quan sát là hữu hạn Vì thế, tương quan phổ cần phải được ước lượng từ tập mẫu hữu hạn Chúng ta sử dụng phương pháp periodogram vòng cho bởi phương trình:
Với ( , ) là thành phần phổ của x(t) tại tần số f với băng thông 1/T và đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
Hàm tương quan phổ thu được sau khi làm trơn tần số của periodogram vòng ở phương trình trên là:
∆ −∆ /2 Để có được SCF người ta tăng chiều quán sát T và giảm kích thước cửa sổ làm trơn ∆
Không giống như mật độ phổ công suất chỉ biến đổi theo một hướng là ƒ, hàm tương quan vòng (hay còn gọi là phổ vòng) biến đổi theo hai hướng ƒ và ∝ Mật độ phổ công suất là trường hợp đặc biệt của hàm tương quan vòng ứng với ∝= 0 Phân tích tín hiệu trong miền phổ vòng sẽ bảo vệ đƣợc thông tin pha và tần số liên quan đến thông số thời gian của tín hiệu điều chế Kết quả là những đoạn phổ bị chồng lấp trong phổ công suất sẽ không bị chồng lấp trong phổ vòng khiến cho việc quan sát và phát hiện đƣợc dễ dàng. Áp dụng vào phương pháp cảm biến ổn định vòng vào việc phát hiện hố phổ.
Xét hai hàm H0 (tương ứng với không xuất hiện tín hiệu PU) và H1 (tương ứng với việc xuất hiện tín hiệu PU).
Trong đó, x(n) là tín hiệu PU mà hệ thống đã biết đƣợc kiểu điều chế và ∝ w(n) là nhiễu có thể thay đổi theo thời gian mà công suất N 0 của nó thì hệ thống chƣa biết trước Hàm tương quan phổ của y(n).
Nhiễu không phải là một quá trình tương quan vòng Do đó mà ∝ = 0 với ∝≠ 0 Với số lượng mẫu N, hàm tương quan phổ được xác định bởi:
Phương pháp phát hiện: Một bộ phát hiện năng lượng tương ứng được sử dụng để kiểm tra mức năng lượng từ ∝ tại ∝= 0 để xem có hay không có tín hiệu PU Nếu không tồn tại tín hiệu thì dải tần quan sát đang trống Ngƣợc lại nếu có tồn tại tín hiệu PU, ta sẽ tiến hành kiểm tra ∝ tại các vị trí ∝≠ 0 Ứng với ∝≠ 0 thì hàm tương quan phổ của nhiễu bằng 0, do vậy ta chỉ cần quan tâm đến
-32- phổ của tín hiệu Bằng cách quét đỉnh biên độ phổ vòng của tín hiệu tại một trong những tần số vòng, ta sẽ phát hiện đƣợc có hay không có tín hiệu Nếu đỉnh của biên độ phổ vòng đƣợc phát hiện (giá trị ∝ ) nghĩa là có mặt tín hiệu PU trong dải tần đang quan sát.
34
Cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên năng lƣợng
Khởi tạo các tham số ban đầu: Fs, Fc1-Fc5, Lamda, PU x(t)
- Cộng các tín hiệu PU sau khi điều chế
Cho phép CR hoạt động tại PU rỗi (tín hiệu thông tin CR được điều chế AM với tần số sóng mang là tần số hoạt động của PU rỗi).
CR có nhu cầu sử dụng phổ?
Có Ước lượng mật độ công suất phổ tín hiệu y(t)+w(t) và vẽ dạng sóng
Hình 4 - 1 Lưu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức sử dụng cảm biến phổ dựa trên năng lƣợng.
Tiến hành mô phỏng giải thuật cảm biến phổ dựa trên năng lƣợng để cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng vô tuyến nhận thức trong mạng vô tuyến nhận thức với các thông số sau: vô tuyến nhận thức đang quan sát dải băng tần từ 0 – 6 Khz Trong dải tần này có 5 tần số sóng mang Fc1, Fc2, Fc3, Fc4, Fc5, tương ứng với 5 PU Một tín hiệu dữ liệu chung cho cả 5 PU là: x(t) = cos(2*pi*100*t) và tần số lấy mẫu Fs là 12 KHz Số PU ban đầu có thể chọn 1, 2, 3, 4, 5 trong số 5 PU. Khi đã chọn PU nào thì, thì dữ liệu PU đó sẽ đƣợc điều chế AM với tần số sóng mang tương ứng Ví dụ khi khởi động chương trình và PU thứ 3 được chọn thì dữ liệu của PU thứ 3 được điều chế với tần số Fc3 Tương tự với PU1, PU2, PU4, và PU5 Sau khi chọn số PU xong thì các tín hiệu PU sau điều chế đƣợc cộng lại tạo ra tín hiệu là y(t) và đƣợc cộng với nhiễu AWGN (tạo bởi hàm randn()) tạo nên tín hiệu y(t)+w(t) Khi có yêu cầu từ người sử dụng vô tuyến nhận thức thì tín hiệu nhận đƣợc y(t)+w(t) sẽ đƣợc dùng để ƣớc lƣợng mật độ phổ công suất bằng hàm periodogram(), lưu các giá trị vào biến Pxx và vẽ ra đồ thị Khi đó, ta có một mảng dữ liệu lưu trong Pxx Kế đến, so sánh giá trị Pxx (tại các vị trí tần số tương ứng) với ngƣỡng = 500 để xác định có hố phổ hay không Nếu có hố phổ thì cho phép người sử dụng vô tuyến nhận thức sử dụng hố phổ này Nghĩa là tín hiệu thông tin của người sử dụng vô tuyến nhận thức được điều chế AM với tần số sóng mang là tần số hoạt động của PU rỗi và chương trình quay về chờ yêu cầu của người sử dụng vô tuyến nhận thức khác Nếu tất cả PU đều hoạt động thì thông báo là không còn hố phổ và kết thúc chương trình.
Cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức sử dụng matched filter
Tiến hành mô phỏng giải thuật cảm biến phổ sử dụng matched filter để cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng vô tuyến nhận thức trong mạng vô tuyến nhận thức với các thông số sau: vô tuyến nhận thức đang quan sát dải băng tần từ 0 – 6 Khz Trong dải tần này có 5 tần số sóng mang Fc1, Fc2, Fc3, Fc4, Fc5, tương ứng với 5 PU Một tín hiệu dữ liệu chung cho cả 5 PU là: x(t) = cos(2*pi*100*t) và tần số lấy mẫu Fs là 12 KHz Số PU ban đầu có thể chọn 1, 2, 3, 4, 5 trong số 5 PU Khi đã chọn PU nào thì, thì dữ liệu PU đó sẽ đƣợc điều chế AM với tần số sóng
-35- mang tương ứng Ví dụ khi khởi động chương trình và PU thứ 3 được chọn thì dữ liệu của PU thứ 3 được điều chế với tần số Fc3 Tương tự với PU1, PU2, PU4, và PU5 Sau khi chọn số PU xong thì các tín hiệu PU sau điều chế đƣợc cộng lại tạo ra tín hiệu là y(t) và đƣợc cộng với nhiễu AWGN (tạo bởi hàm randn()) tạo nên tín hiệu y(t)+w(t).
Khởi tạo các tham số ban đầu: Fs, Fc1- Fc5, Lamda,PU x(t)
- Cộng các tín hiệu PU sau khi điều chế
CR có nhu cầu Cho phép CR sử dụng phổ? hoạt động tại PU rỗi (tín hiệu thông tin CR được điều Có chế AM với tần Matched Filter và vẽ số sóng mang là dạng sóng kết quả tần số hoạt động tính toán, tính max của PU rỗi) kết quả matched filter
Hình 4 - 2 Lưu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức sử dụng matched filter.
Khi có yêu cầu từ người sử dụng vô tuyến nhận thức thì tín hiệu nhận được y(t)+w(t) sẽ cho qua matched filter để tính độ tương quan của tín hiệu nhận được với tín hiệu điều chế đã biết trước bằng hàm xcorr () và lưu vào biến Y Kế đến, so sánh giá trị max(Y) (tại các vị trí tần số tương ứng) với ngưỡng = 1000 để xác định có hố phổ hay không Nếu có hố phổ thì cho phép người sử dụng vô tuyến nhận thức sử dụng hố phổ này Nghĩa là tín hiệu thông tin của người sử dụng vô tuyến nhận thức đƣợc điều chế AM với tần số sóng mang là tần số hoạt động của
PU rỗi và chương trình quay về chờ yêu cầu của người sử dụng vô tuyến nhận thức khác Nếu tất cả PU đều hoạt động thì thông báo là không còn hố phổ và kết thúc chương trình.
Cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên đặc điểm ổn định vòng
Tiến hành mô phỏng giải thuật cảm biến phổ sử dụng đặc điểm ổn định vòng để cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng vô tuyến nhận thức trong mạng vô tuyến nhận thức với các thông số sau: vô tuyến nhận thức đang quan sát dải băng tần từ 0 – 6 Khz, độ phân giải tần số mong muốn df = 256, tần số vòng mong muốn alpha=0, độ phân giải tần số vòng mong muốn dalpha = 64 Trong dải tần này có 5 tần số sóng mang Fc1, Fc2, Fc3, Fc4, Fc5, tương ứng với 5 PU Một tín hiệu dữ liệu chung cho cả
5 PU là: x(t) = cos(2*pi*100*t) và tần số lấy mẫu Fs là 12 KHz Số PU ban đầu có thể chọn 1, 2, 3, 4, 5 trong số 5 PU Khi đã chọn PU nào thì, thì dữ liệu PU đó sẽ đƣợc điều chế AM với tần số sóng mang tương ứng Ví dụ khi khởi động chương trình và
PU thứ 3 được chọn thì dữ liệu của PU thứ 3 được điều chế với tần số Fc3 Tương tự với PU1, PU2, PU4, và PU5 Sau khi chọn số PU xong thì các tín hiệu PU sau điều chế đƣợc cộng lại tạo ra tín hiệu là y(t) và đƣợc cộng với nhiễu AWGN (tạo bởi hàm randn()) tạo nên tín hiệu y(t)+w(t) Khi có yêu cầu từ người sử dụng vô tuyến nhận thức thì tín hiệu nhận y(t)+w(t)đƣợc sẽ đƣợc tính toán phổ vòng bằng hàm fam() và lưu giá trị tính toán phổ vòng vào biến Sx Kế đến, so sánh giá trị Sx (tại các vị trí tần số tương ứng) với ngưỡng = 5 để xác định có hố phổ hay không Nếu có hố phổ thì cho phép người sử dụng vô tuyến nhận thức sử dụng hố phổ này Nghĩa là tín hiệu thông tin của người sử dụng vô tuyến nhận thức
-37- được điều chế AM với tần số sóng mang là tần số hoạt động của PU rỗi và chương trình quay về chờ yêu cầu của người sử dụng vô tuyến nhận thức khác Nếu tất cả
PU đều hoạt động thì thông báo là không còn hố phổ và kết thúc chương trình.
Khởi tạo các tham số ban đầu: Fs, Fc1-Fc5, Lamda,PU x(t)
- Cộng các tín hiệu PU sau khi điều chế
Cho phép CR hoạt động tại PU rỗi (tín hiệu thông tin CR được điều chế AM với tần số sóng mang là tần số hoạt động của PU rỗi).
CR có nhu cầu sử dụng phổ?
Tính phổ vòng dùng phương pháp FAM
Hình 4 - 3 Lưu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức sử dụng ổn định vòng FAM (Phụ lục B).
39
Cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên năng lƣợng
Các tham số khi mô phỏng:
Fc1Q2; Fc224; Fc336; Fc4 48; Fc5072;
Tín hiệu điều chế AM
Tín hiệu nhiễu Gauss: gaussianNoise = randn(1, size(x))
Giả sử khi khởi động chương trình, trong dải tần số 0-6 KHz đã có sự hiện diện của 2 PU ở vị trí 512Hz và 2048Hz.
Hình 5 - 1 PSD tín hiệu khi có 2 PU tại vị trí 512Hz và 2048Hz Giả sử có 1 người sử dụng CR có nhu cầu sử dụng trong dải tần này Khi đó, người sử dụng CR này dò tìm hố phổ trong dải tần này thì thấy ở vị trí 1024Hz còn đang trống nên người sử dụng CR được phép sử dụng vị trí 1024Hz.
Hình 5 - 2 PSD của tín hiệu khi đã thêm 1 SU tại vị trí 1024Hz Giả sử có một người sử dụng CR khác có nhu cầu sử dụng phổ tần trong dải tần này Khi đó, người sử dụng CR này dò tìm hố phổ trong dải tần này thì thấy ở vị trí 1536Hz còn đang trống nên người sử dụng CR được phép sử dụng vị trí 1536Hz. Tương tự, khi có một người sử dụng CR khác có nhu cầu sử dụng phổ tần trong dải tần này thì người sử dụng CR này dò tìm hố phổ trong dải tần này thì thấy ở vị trí 3072Hz còn đang trống nên người sử dụng CR được phép sử dụng vị trí 3072Hz.
Hình 5 - 3 PSD của tín hiệu khi đã thêm 1 SU tại vị trí 1536Hz và 1 SU tại vị trí 3072Hz
Cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức sử dụng matched filter
Các tham số mô phỏng:
Fc1Q2; Fc224; Fc336; Fc4 48; Fc5072;
Tín hiệu điều chế AM
Tín hiệu nhiễu Gauss: gaussianNoise = randn(1, size(x))
Giả sử khi khởi động chương trình, trong dải tần số 0-6 KHz đã có sự hiện diện của 2 PU ở vị trí 512Hz và 2048Hz (hình 5 – 4).
Giả sử có 1 người sử dụng CR có nhu cầu sử dụng trong dải tần này Khi đó, người sử dụng CR này dò tìm hố phổ trong dải tần này thì thấy ở vị trí 1024Hz còn đang trống nên người sử dụng CR được phép sử dụng vị trí 1024Hz (hình 5 – 5).
Giả sử có một người sử dụng CR khác có nhu cầu sử dụng phổ tần trong dải tần này Khi đó, người sử dụng CR này dò tìm hố phổ trong dải tần này thì thấy ở vị trí 1536Hz còn đang trống nên người sử dụng CR được phép sử dụng vị trí 1536Hz (hình 5 – 6) Tương tự, khi có một người sử dụng CR khác có nhu cầu sử dụng phổ tần trong dải tần này thì người sử dụng CR này dò tìm hố phổ trong dải tần này thì thấy ở vị trí 3072Hz còn đang trống nên người sử dụng CR được phép sử dụng vị trí 3072Hz (hình 5 – 6).
Hình 5 - 4 Tương quan 2 tín hiệu khi có 2 PU tại vị trí 512 Hz và 2048Hz và PSD tương ứng
Hình 5 - 5 Tương quan 2 tín hiệu khi đã thêm 1 SU tại vị trí 1024Hz và PSD tương ứng
Hình 5 - 6 Tương quan 2 tín hiệu khi đã thêm 1 SU tại vị trí 1036Hz và 1 SU tại vị trí 3072Hz và PSD tương ứng
Cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên ổn định vòng
Các tham số mô phỏng:
Fc1= 2048; Fc2 = 512; Fc3 = 1024; Fc4 = 1536; Fc5 = 3072;
Tín hiệu điều chế AM
Tín hiệu nhiễu Gauss: gaussianNoise = randn(1, size(x))
-0.8 -5000 f (Hz) -1 alpha (Hz) a) Biểu diễn dạng 3 D f( H z)
-8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 a l p ha(Hz) b) Biểu diễn dạng contour Hình 5 - 7 Phổ vòng khi có 1 PU tại vị trí 2048Hz
Hình 5 - 8 Biểu diễn 2 D phổ vòng của tín hiệu khi có PU tại vị trí 2048Hz a) alpha = 0 b) alpha = 4096 Hz
Giả sử khi khởi động chương trình, trong dải tần số 0-6 KHz đã có sự hiện diện của 2 PU ở vị trí 2048Hz và 512Hz (hình 5 – 9).
Giả sử có 1 người sử dụng CR có nhu cầu sử dụng trong dải tần này Khi đó, người sử dụng CR này dò tìm hố phổ trong dải tần này thì thấy ở vị trí
1024Hz còn đang trống nên người sử dụng CR được phép sử dụng vị trí 1024Hz (xem hình 5 – 10).
-0.8 -5000 f (Hz) -1 alpha (Hz) a) Biểu diễn 3 D f( H z)
-8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 alpha(Hz) b) Biểu diễn dạng contour b) Biểu diễn dạng 2D với alpha = 0 Hình 5 - 9 Phổ vòng của tín hiệu khi có 2 PU tại vị trí 2048Hz và 512 Hz
-0.8 -5000 f (Hz) -1 alpha (Hz) a) Biểu diễn 3 D f( H z)
-8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 alpha(Hz) b) Biểu diễn dạng contour
-5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 f(Hz) c) Biểu diễn dạng 2D với alpha = 0
Hình 5 - 10 Phổ vòng tín hiệu khi đã thêm 1 SU tại vị trí 1024Hz
Giả sử có một người sử dụng CR khác có nhu cầu sử dụng phổ tần trong dải tần này Khi đó, người sử dụng CR này dò tìm hố phổ trong dải tần này thì thấy ở vị trí 1536Hz còn đang trống nên người sử dụng CR được phép sử dụng vị trí 1536Hz
(hình 5 – 11) Tương tự, khi có một người sử dụng CR khác có nhu cầu sử dụng phổ tần trong dải tần này thì người sử dụng CR này dò tìm hố phổ trong dải tần này thì thấy ở vị trí 3072Hz còn đang trống nên người sử dụng CR được phép sử dụng vị trí 3072Hz (hình 5 – 11).
-0.8 -5000 f (Hz) -1 alpha (Hz) a) Biểu diễn dạng 3 D f( H z)
-8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 alpha(Hz) b) Biểu diễn dạng contour
- 47 - c) Biểu diễn dạng 2D với alpha = 0
Hình 5 - 11 Phổ vòng của tín hiệu khi đã thêm 1 SU tại vị trí 1536Hz và 1 SU tại vị trí 3072KHz
TRIỂN KHAI GIẢI THUẬT TRÊN KIT ARM
5.4 Lưu đồ triển khai các giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức trên KIT ARM
5.4.1 Lưu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên năng lƣợng
- Khai báo các thư viện cần sử dụng
- Khai báo các biến toàn cục: Fs, Fc1-Fc5, Lamda, y1-y5, Pxx, signal,
- Set xung clock cho lõi ARM
- Khởi tạo các hàm: Ammod, Randn
- Gọi hàm Ammod để điều chế các PU đã hiện diện
- Gọi hàm Randn tạo nhiễu
-Cộng tất cả các PU đã điều chế AM và nhiễu với nhau
Cho phép CR hoạt động tại PU rỗi này (Khởi tạo hàm Ammod, Randn
Randn để điều chế AM tín hiệu CR với tần số là tần số hoạt động của PU rỗi)
CR có nhu cầu sử dụng phổ?
- Gọi hàm periodogram để tính toán phổ công suất Pxx
Hình 5 - 12 Lưu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên năng lƣợng trên KIT ARM
Tiến hành triển khai giải thuật cảm biến phổ dựa trên năng lƣợng để cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng vô tuyến nhận thức trong mạng vô tuyến nhận thức trên KIT ARM với các thông số sau: các tham số đƣợc khởi tạo khi khởi động chương trình là 5 tần số sóng mang Fc1, Fc2, Fc3, Fc4, Fc5, tương ứng với 5 PU.
Một tín hiệu dữ liệu chung cho cả 5 PU là: x(t) = cos(2*pi*100*t) và tần số lấy mẫu
Fs là 12 KHz Số PU ban đầu có thể chọn 1, 2, 3, 4, 5 trong số 5 PU thông qua phím
< hoặc phím > trên KIT ARM Khi đã chọn PU nào thì, thì dữ liệu PU đó sẽ đƣợc điều chế AM với tần số sóng mang tương ứng Ví dụ khi khởi động chương trình và
PU thứ 3 được chọn thì dữ liệu của PU thứ 3 được điều chế với tần số Fc3 Tương tự với PU1, PU2, PU4, và PU5 Sau khi chọn số PU xong thì các tín hiệu PU sau điều chế đƣợc cộng lại tạo ra tín hiệu là y(t) và đƣợc cộng với nhiễu AWGN (tạo bởi hàm randn()) tạo nên tín hiệu y(t)+w(t) Khi có yêu cầu từ người sử dụng vô tuyến nhận thức thì tín hiệu nhận đƣợc y(t)+w(t) sẽ đƣợc dùng để ƣớc lƣợng mật độ phổ công suất bằng hàm periodogram(), lưu các giá trị vào biến Pxx và vẽ ra đồ thị Khi đó, ta có một mảng dữ liệu lưu trong Pxx Kế đến, so sánh giá trị Pxx (tại các vị trí tần số tương ứng) với ngưỡng = 200 để xác định có hố phổ hay không. Nếu có hố phổ thì cho phép người sử dụng vô tuyến nhận thức sử dụng hố phổ này. Nghĩa là tín hiệu thông tin của người sử dụng vô tuyến nhận thức được điều chế
AM với tần số sóng mang là tần số hoạt động của PU rỗi và chương trình quay về chờ yêu cầu của người sử dụng vô tuyến nhận thức khác Nếu tất cả PU đều hoạt động thì thông báo là không còn hố phổ và kết thúc chương trình.
5.4.2 Lưu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức sử dụng matched filter
Tiến hành mô phỏng giải thuật cảm biến phổ sử dụng matched filter để cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng vô tuyến nhận thức trong mạng vô tuyến nhận thức với các thông số sau: các tham số được khởi tạo khi khởi động chương trình là 5 tần số sóng mang Fc1, Fc2, Fc3, Fc4, Fc5, tương ứng với 5 PU Một tín hiệu dữ liệu chung cho cả 5 PU là: x(t) = cos(2*pi*100*t) và tần số lấy mẫu Fs là 12 KHz Số PU ban đầu có thể chọn 1, 2, 3, 4, 5 trong số 5 PU thông qua phím < hoặc phím > trên KIT ARM Khi đã chọn PU nào thì, thì dữ liệu PU đó sẽ đƣợc điều chế
AM với tần số sóng mang tương ứng Ví dụ khi khởi động chương trình và PU thứ
3 được chọn thì dữ liệu của PU thứ 3 được điều chế với tần số Fc3 Tương tự với PU1, PU2, PU4, và PU5 Sau khi chọn số PU xong thì các tín hiệu PU sau điều chế đƣợc cộng lại tạo ra tín hiệu là y(t) và đƣợc cộng với nhiễu AWGN (tạo bởi hàm
-50- randn()) tạo nên tín hiệu y(t)+w(t) Khi có yêu cầu từ người sử dụng vô tuyến nhận thức thì tín hiệu nhận được y(t)+w(t) sẽ cho qua matched filter để tính độ tương quan của tín hiệu nhận được với tín hiệu điều chế đã biết trước bằng hàm xcorr () và lưu vào biến Y.
- Khai báo các thư viện cần sử dụng
- Khai báo các biến toàn cục: Fs, Fc1-Fc5, Lamda, y1-y5, Pxx, signal,
- Set xung clock cho lõi ARM
- Khởi tạo các hàm: Ammod, Randn
- Gọi hàm Ammod để điều chế các PU đã hiện diện
- Gọi hàm Randn tạo nhiễu
-Cộng tất cả các PU đã điều chế AM và nhiễu với nhau
Cho phép CR hoạt động tại PU rỗi này (Khởi tạo hàm Ammod, Randn
Randn để điều chế AM tín hiệu CR với tần số là tần số hoạt động của PU rỗi)
CR có nhu cầu sử dụng phổ?
- Khởi tạo hàm xcorr, max
- Gọi hàm xcorr để tính toán sự tương quan giữa tín hiệu nhận được và tín hiệu gốc. Gọi hàm max để tìm giá lớn nhất sau khi tính xcorr
Hình 5 - 13 Lưu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức sử dụng matched filter trên KIT ARM
Kế đến, so sánh giá trị max(Y) (tại các vị trí tần số tương ứng) với ngưỡng
= 1000 để xác định có hố phổ hay không Nếu có hố phổ thì cho phép người sử dụng vô tuyến nhận thức sử dụng hố phổ này Nghĩa là tín hiệu thông tin của người sử dụng vô tuyến nhận thức đƣợc điều chế AM với tần số sóng mang là tần số hoạt động của PU rỗi và chương trình quay về chờ yêu cầu của người sử dụng vô tuyến
-51- nhận thức khác Nếu tất cả PU đều hoạt động thì thông báo là không còn hố phổ và kết thúc chương trình.
5.4.3 Lưu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên đặc điểm ổn định vòng
- Khai báo các thư viện cần sử dụng
- Khai báo các biến toàn cục: Fs, Fc1-Fc5, Lamda, y1-y5, Pxx, signal,
- Set xung clock cho lõi ARM
- Khởi tạo các hàm: Ammod, Randn
- Gọi hàm Ammod để điều chế các PU đã hiện diện
- Gọi hàm Randn tạo nhiễu
-Cộng tất cả các PU đã điều chế AM và nhiễu với nhau
Cho phép CR hoạt động tại PU rỗi này (Khởi tạo hàm Ammod, Randn
Randn để điều chế AM tín hiệu CR với tần số là tần số hoạt động của PU rỗi)
CR có nhu cầu sử dụng phổ?
- Gọi hàm fam để tính toán phổ vòng của tín hiệu Sx
Hình 5 - 14 Lưu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên đặc điểm ổn định vòng trên KIT ARM Tiến hành mô phỏng giải thuật cảm biến phổ sử dụng đặc điểm ổn định vòng để cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng vô tuyến nhận thức trong mạng vô tuyến nhận thức với các thông số sau: các tham số đƣợc khởi tạo khi khởi động chương trình là 5 tần số sóng mang Fc1, Fc2, Fc3, Fc4, Fc5, tương ứng với 5 PU, độ phân giải tần số mong muốn df = 256, tần số vòng mong muốn alpha=0, độ phân
-52- giải tần số vòng mong muốn dalpha = 64 Một tín hiệu dữ liệu chung cho cả 5 PU là: x(t) = cos(2*pi*100*t) và tần số lấy mẫu Fs là 12 KHz Số PU ban đầu có thể chọn 1, 2, 3, 4, 5 trong số 5 PU thông qua phím < hoặc phím > trên KIT ARM Khi đã chọn PU nào thì, thì dữ liệu PU đó sẽ đƣợc điều chế AM với tần số sóng mang tương ứng Ví dụ khi khởi động chương trình và PU thứ 3 được chọn thì dữ liệu của PU thứ 3 được điều chế với tần số Fc3 Tương tự với PU1, PU2, PU4, và PU5. Sau khi chọn số PU xong thì các tín hiệu PU sau điều chế đƣợc cộng lại tạo ra tín hiệu là y(t) và đƣợc cộng với nhiễu AWGN (tạo bởi hàm randn()) tạo nên tín hiệu y(t)+w(t) Khi có yêu cầu từ người sử dụng vô tuyến nhận thức thì tín hiệu nhận y(t) +w(t) được sẽ được tính toán phổ vòng bằng hàm fam() và lưu giá trị tính toán phổ vòng vào biến Sx Kế đến, so sánh giá trị Sx (tại các vị trí tần số tương ứng) với ngưỡng = 5 để xác định có hố phổ hay không Nếu có hố phổ thì cho phép người sử dụng vô tuyến nhận thức sử dụng hố phổ này Nghĩa là tín hiệu thông tin của người sử dụng vô tuyến nhận thức được điều chế AM với tần số sóng mang là tần số hoạt động của PU rỗi và chương trình quay về chờ yêu cầu của người sử dụng vô tuyến nhận thức khác Nếu tất cả PU đều hoạt động thì thông báo là không còn hố phổ và kết thúc chương trình.
Kết quả triển khai các giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho người sử dụng
Nhằm kiểm chứng kết quả mô phỏng trên matlab, đề tài tiếp tục triển khai các giải thuật cảm biến phổ trên KIT ARM LM3S2965[11], [12], [13] Trong phần triển khai các giải thuật trên KIT ARM LM3S2965, đề tài cũng tiến hành cũng sử dụng các tham số nhƣ tần số lấy mẫu Fs000Hz, các tần số sóng mang Fc1Q2
Hz, Fc224Hz, Fc336Hz, Fc4 48Hz, Fc3072Hz và sử dụng phương pháp điều chế AM Các lưu đồ hình 14-16 mô tả các bước thực hiện các giải thuật này trên KIT ARM. Để giúp ích cho quá trình triển khai các giải thuật, kết quả tính toán qua từng công đoạn được hiển thị trên màn hình OLED Trước hết là kết quả tính toán của điều chế AM Hình 17a là kết quả tính toán và vẽ dạng sóng sin x(t) -53- cos(2*pi*100*t) và dạng sóng điều chế AM với tần số sóng mang 512 Hz trên KIT ARM LM3S2965.
Kế đến, đề tài sẽ dùng hàm periodogram() trong phương pháp cảm biến phổ dựa trên năng lƣợng để tính toán phổ của tín hiệu Giả sử trong tín hiệu tổng gồm có 2 tín hiệu AM với các tần số sóng mang lần lƣợt là 512 Hz và 2048Hz Hình 17b là kết quả tính toán và vẽ phổ của tín hiệu gồm các tần số : 512Hz và 2048Hz trênKIT ARM LM3S2965.
Nhận xét
Trong các phương pháp cảm biến phổ thì phương pháp cảm biến phổ dựa trên năng lượng là đơn giản nhất vì phương pháp tính toán đơn giản, không cần biết trước thông tin của PU Tuy nhiên, kỹ thuật này dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu của môi trường xung quanh dẫn đến kết quả cảm biến không chính xác khi hoạt động trong môi trường có nhiều nhiễu.
Nhìn chung, kỹ thuật cảm biến phổ dùng matched filter có hiệu quả cao hơn so với matched filter nhưng khuyết điểm lớn của matched filter là phải biết trước một số thông số của tín hiệu PU chẳng hạn nhƣ dạng điều chế, tần số hoạt động nên để triển khai kỹ thuật này thì phải có thiết bị chuyên dụng cho mỗi dạng tín hiệu điều chế, tần số hoạt động.
Về kỹ thuật cảm biến phổ dựa trên ổn định vòng, theo lý thuyết thì đây là kỹ thuật có độ chính xác cao hơn so với kỹ thuật cảm biến phổ dựa trên năng lƣợng và matched filter Kỹ thuật này dựa vào sự tuần hoàn của tín hiệu để phát hiện sự tồn tại của tín hiệu Tuy nhiên, kỹ thuật cảm biến phổ dựa trên ổn định vòng lại gặp phải vấn đề phức tạp trong tính toán.
Về kết quả triển khai giải thuật cảm biến phổ dựa trên năng lƣợng sử dụng periodogram() trên KIT ARM, kết quả này tương đối tương đồng với kết quả mô phỏng trên matlab Tuy nhiên, KIT ARM LM3S2965 là KIT vi điều khiển mang tính chất dùng thử (evaluation) của nhà sản xuất Texas Instruments nên có nhiều tính năng bị hạn chế như: thiếu card mở rộng bộ nhớ để lưu chương trình, các ngoại vi kết nối sẵn để truyền nhận tín hiệu từ bên ngoài,… phục vụ cho quá trình nghiên cứu Trong tương lai, mạng vô tuyến nhận thức có thể được triển khai trên các thiết
- 54 - bị di động dùng ARM là điều hoàn toàn khả thi nhằm giải quyết nhu cầu ngày càng cao về phổ của các mạng không dây.
Hình 5 - 15 Tín hiệu sin và tín hiệu điều chế AM trên KIT ARM LM3S2965
Hình 5 - 16 Phổ tín hiệu tần số 512 Hz và 2048 Hz trên KIT ARM LM3S2965