Nghiên cứu hệ thống cognitive radio và ứng dụng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.4 MB, 100 trang )
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
MỤC LỤC:
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................................. 3
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................................................... 4
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ................................................................................................ 6
PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................................................ 1
CHƢƠNG 1.
TỔNG QUAN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC .......................................................... 3
1.1
Giới thiệu chƣơng .............................................................................................................. 3
1.2
Định nghĩa vô tuyến nhận thức .......................................................................................... 3
1.3
Hoạt động của vô tuyến nhận thức ..................................................................................... 5
1.4
Các chức năng chính của mạng vô tuyến nhận thức .......................................................... 8
1.4.1
Cảm biến phổ ............................................................................................................. 9
1.4.2
Quản lý phổ ................................................................................................................ 9
1.4.3
Dịch chuyển phổ ...................................................................................................... 11
1.4.4
Chia sẻ phổ ............................................................................................................... 11
1.5
Kiến trúc vật lí của vô tuyến nhận thức ........................................................................... 13
1.6
Mô hình thực hiện vô tuyến nhận thức ............................................................................ 16
1.6.1
Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm....................................................................... 16
1.6.2
Mô hình thực hiện vô tuyến nhận thức..................................................................... 17
Kết luận chƣơng ............................................................................................................... 23
1.7
CHƢƠNG 2.
CẢM BIẾN PHỔ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC........................ 24
2.1
Giới thiệu chƣơng ............................................................................................................ 24
2.2
Kỹ thuật cảm biến phổ: Khó khăn và thách thức ............................................................. 24
2.2.1
Yêu cầu phần cứng ................................................................................................... 25
2.2.2
Hiện tƣợng đầu cuối ẩn ............................................................................................ 25
2.2.3
Phát hiện tín hiệu trải phổ ........................................................................................ 26
2.2.4
Lựa chọn tần số và thời gian cảm biến ..................................................................... 26
2.2.5
Tính di động ............................................................................................................. 27
2.2.6
Bảo mật .................................................................................................................... 28
Các kỹ thuật cảm biến/Cảm biến phổ............................................................................... 28
2.3
2.3.1
Phát hiện máy phát sơ cấp ........................................................................................ 28
2.3.2
Cảm biến hợp tác...................................................................................................... 34
2.3.3
Phát hiện máy thu sơ cấp.......................................................................................... 39
2.3.4
Quản lý nhiệt độ nhiễu ............................................................................................. 42
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
Cơ cấu cảm biến phổ tối ƣu ............................................................................................. 44
2.4
2.4.1
Mô hình hệ thống ..................................................................................................... 46
2.4.2
Tối ƣu tham số cảm biến cho một dải tần ................................................................ 48
2.4.3
Lập lịch và lựa chọn phổ trên nhiều dải tần ............................................................. 54
2.4.4
Hợp tác và thích nghi trong mạng đa ngƣời dùng .................................................... 57
Kết luận chƣơng ............................................................................................................... 60
2.5
CHƢƠNG 3.
KỸ THUẬT DÒ NĂNG LƢỢNG TRONG CẢM BIÊN PHỔ ........................... 61
3.1
Giới thiệu chƣơng ............................................................................................................ 61
3.2
Thuật toán dò năng lƣợng ................................................................................................ 61
3.3
Các tham số thuật toán dò năng lƣợng trên kênh AWGN ................................................ 65
3.3.1
Xác xuất phát hiện – Pd ............................................................................................ 65
3.3.2
Xác suất cảnh báo sai – Pf ........................................................................................ 66
3.4
Mô hình xấp xỉ ................................................................................................................. 66
3.5
Mô phỏng thuật toán dò năng lƣợng trên kênh truyền nhiễu trắng .................................. 67
3.5.1
Mô phỏng xác suất phát hiện tín hiệu theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm ...................... 67
3.5.2
Mô phỏng xác suất phát hiện tín hiệu theo xác suất cảnh bảo sai (ROC) ................ 68
3.5.3
Mô phỏng sự phục thuộc của Pd và xác Pf với giá trị quyết định............................. 69
Kết luận chƣơng ............................................................................................................... 70
3.6
CHƢƠNG 4.
ỨNG DỤNG CỦA VÔ TUYẾN NHẬN THỨC ................................................. 72
4.1
Giới thiệu chƣơng ............................................................................................................ 72
4.2
Ứng dụng của vô tuyến nhận thức ................................................................................... 72
4.2.1
Các mạng lƣới thông minh (Smart Grid Networks) ................................................. 72
4.2.2
Mạng an ninh công cộng (Public Safety Networks)................................................. 75
4.2.3
Mạng tế bào (Cellular Networks) ............................................................................. 78
4.2.4
Mạng y tế không dây (Wireless Medical Networks)................................................ 81
4.3
Kết luận chƣơng ............................................................................................................... 84
KẾT LUẬN ...................................................................................................................................... 85
PHỤ LỤC 1: CODE MÔ PHỎNG MATLAB ................................................................................. 87
PHỤ LỤC 2: TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 92
DANH SÁCH CHÚ THÍCH HÌNH VẼ........................................................................................... 93
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu của cá nhân, đƣợc
thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của Tiến sĩ. Đặng Quang Hiếu. Các số liệu
cũng nhƣ những kết luận nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận văn này là trung
thực và chƣa đƣợc công bố dƣới bất cứ hình thức nào.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học viên
Nguyễn Thanh Bình
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu
Tên tiếng Anh
Nghĩa tiếng Việt
A/D
Analog/Digital
Tƣơng tự/Số
AGC
Automatic Gain Control
Bộ điều khiển độ lợi tự động
AS
Adaptive System
Hệ thống thích nghi
AWGN
Additive white Gaussian noise
Nhiễu trắng cộng Gaussian
BS
Base Station
Trạm gốc
CDMA
Code Division Multiple Access
Đa truy cập phân chia theo mã
CR
Cognitive Radio
Vô tuyến nhận thức
CRN
Cognitive Radio
Mạng vô tuyến nhận thức
CSD
Cyclic Spectral Density
hàm mật độ phổ tuần hoàn
D/A
Digital/Analog
Số/Tƣơng tự
DFS
Dynamic Frequency Selection
Lựa chọn tần số động
DSA
Dynamic Spectrum Access
Truy cập phổ động
DSP
Digital Signal Processing
Xử lý tín hiệu số
ED
Energy Detection
Dò năng lƣợng
FCC
Federal
Communications Ủy ban truyền thông Hoa Kỳ
Commission
FEC
Forward Error Correction
IEEE
Institute
of
Electrical
Sửa lỗi trƣớc
and Viện kỹ nghệ điện và điện tử
Electronics Engineers
IPD
Incumbent Profile Detection
Bộ phát hiện các thông tin về hoạt
động của thuê bao đƣợc cấp phép
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
LAN
Local Area Network
Mạng nội bộ
LNA
Low Noise Amplifier
Bộ khuếc đại tạp âm thấp
LO
Local Oscillator
Bộ dao động nội
MAC
Media Access Control
Điều khiển truy nhập
MF
Matched Filtering
Lọc phối hợp
MIMO
Multi-Input Multi-Output
Nhiều đầu vào nhiều đầu ra
OFDM
Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số
Multiplexing
trực giao
PN
Primary Network
Mạng sơ cấp
PLL
Phase Locked Loop
Vòng khóa pha
PU
Primary User
Ngƣời dùng sơ cấp
QoS
Quanlity of Service
Chất lƣợng dịch vụ
RF
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
ROC
Receiver Operating Characteristic
Đặc tính thu phát
SCF
Spectral Cyclic Function
Hàm chu kì phổ
SNR
Signal to Noise Ratio
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
SDR
Software Defined Radio
Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm
TPC
Transmit Power Control
Điều khiển công suất phát
UWB
Ultra Wide Band
Băng siêu rộng
VCO
Voltage-Controlled Oscillator
Bộ dao động điều khiển bằng điện
áp
WAN
Wide Area Network
Mạng diện rộng
WLAN
Wireless LAN
Mạng nội bộ không dây
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1: Minh họa hố phổ [1]...................................................................................6
Hình 1. 2: Các hoạt động chính của mạng vô tuyến nhận thức ..................................7
Hình 1. 3: Các chức năng giao tiếp trong mạng vô tuyến nhận thức [1] ....................8
Hình 1. 4: Phân loại các công nghệ chia sẻ phổ tần ..................................................12
Hình 1. 5: Kiến trúc vật lí của vô tuyến nhận thức [1] .............................................14
Hình 1. 6: Cấu trúc tổng quát bộ thu phát SDR ........................................................17
Hình 1. 7: So sánh hệ thống vô tuyến thông thƣờng, SDR và CR ............................18
Hình 1. 8: Quan hệ giữa vô tuyến nhận thức và SDR ...............................................18
Hình 1. 9: Sơ đồ khối thực hiện vô tuyến nhận thức dựa trên SDR .........................20
Hình 1. 10: Kiến trúc phân lớp tổng quát cho vô tuyến nhận thức [1] .....................21
Hình 2. 1: Hiện tƣợng đầu cuối ẩn [1]
26
Hình 2. 2: Mô hình phát hiện máy phát sơ cấp [1]
29
Hình 2. 3: Sơ đồ thực hiện dò năng lƣợng [2]
31
Hình 2. 4: Phân tích đặc tính dừng chu kỳ của tín hiệu
33
Hình 2. 5: Ngƣời dùng vô tuyến nhận thức gây nhiễu máy thu sơ cấp [3]
34
Hình 2. 6: Cảm biến hợp tác trong môi trƣờng fading và shadowing [3]
35
Hình 2. 7: Cảm biến hợp tác tập trung [3]
36
Hình 2.8: Cảm biến hợp tác phân tán [3]
38
Hình 2. 9: Cảm biến hợp tác hỗ trợ chuyển tiếp [3]
39
Hình 2. 10: Phát hiện máy thu sơ cấp [3]
40
Hình 2. 11: Kiến trúc máy thu đổi tần
41
Hình 2. 12: Cấu trúc cảm biến phổ theo chu kỳ
45
Hình 2. 13: Cấu trúc tổng thể của cơ cấu cảm biến phổ tối ƣu
47
Hình 2. 14: Tối ƣu thời gian truyền dẫn và thời gian quan sát [4]
53
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
Hình 2. 15: Mối quan hệ giữa hiệu suất truyền dẫn và các tham số tối ƣu [4]
54
Hình 3. 1: Sơ đồ thuật toán thực hiện dò năng lƣơng [2] .........................................61
Hình 3. 2: Đồ thị xác suất phát hiện tín hiệu theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm ............68
Hình 3. 3: Đƣờng ROC thuật toán dò năng lƣợng trên kênh truyền AWGN ...........69
Hình 3. 4: Sự phụ thuộc của Pd và Pf vào giá trị ngƣỡng quyết định ........................70
Hình 4. 1: Mạng lƣới thông minh [5] ........................................................................74
Hình 4. 2: Mạng an ninh công cộng [5] ....................................................................77
Hình 4. 3: Mạng di động tế bào [5] ...........................................................................79
Hình 4. 4: Mạng y tế cá nhân [5] ..............................................................................83
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
PHẦN MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự bùng nổ của công nghệ, điện thoại thông minh, mạng xã
hội, nhu cầu chia sẻ dữ liệu, hình ảnh, video… gia tăng nhanh chóng gây ra áp lực
rất lớn về lƣu lƣợng trên các hệ thống truyền tải. Cùng với việc dải tần ngày càng bị
thu hẹp do nhiều dịch vụ mới đƣợc cấp phép dẫn đến yêu cầu phải tận dụng tối đa
tài nguyên phổ tần số. Hiện tại, các hệ thống thông tin vô tuyến đƣợc áp dụng chính
sách cấp phát tần số cố định. Theo đó, các ứng dụng khác nhau đƣợc cấp phép với
những dải tần số (băng thông) đã đƣợc hoạch định sẵn bởi cơ quan quy hoạch phổ
tần Quốc gia. Việc cấp phép dải tần cố định này đảm bảo ngƣời dùng dịch vụ ở dải
tần này không gây can nhiễu đến những ngƣời dùng ở dải tần khác. Tuy có nhiều ƣu
điểm nhƣng nhƣợc điểm lớn nhất của phƣơng pháp cấp phát tần số cố định là không
tận dụng đƣợc tối đa tài nguyên băng thông. Theo Ủy ban truyền thông liên bang
Hoa Kì – FCC hiệu suất sử dụng dải tần số đã đƣợc cấp phép chỉ khoảng 15-85%
trên phổ tần khả dụng. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết đó là phát triển một công
nghệ vô tuyến mới có khả năng nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần, tránh lãng phí
tài nguyên tần số.
Công nghệ Cognitive Radio (vô tuyến nhận thức) đƣợc phát triển để đáp ứng
nhu cầu trên. Hệ thống vô tuyến nhận thức bằng những kỹ thuật riêng của mình sẽ
khai thác các dải thông có thời điểm bị bỏ trống để cung cấp băng thông cho các
dịch vụ vô tuyến thông qua kiến trúc mạng tiên tiến, mềm dẻo và khả năng truy cập
phổ tần linh hoạt. Vô tuyến nhận thức hoạt động trên nền hệ thống vô tuyến đƣợc
định nghĩa bằng phần mềm hứa hẹn là một trong những công nghệ đầy triển vọng,
phù hợp với tiến trình phát triển của các hệ thống thông tin vô tuyến.
Luận văn tập trung nghiên cứu mạng vô tuyến nhận thức và đặc biệt đi sâu
vào kỹ thuật cảm biến phổ (kỹ thuật quan trọng nhất trong vô tuyến nhận thức).
Luận văn đã làm rõ đƣợc cái nhìn tổng quát của mạng vô tuyến nhận thức và các kỹ
thuật cảm biến phổ. Kỹ thuật cảm biến phổ dựa trên phƣơng pháp dò năng lƣợng
cũng đƣợc trình bày cụ thể. Những thông số của kỹ thuật dò năng lƣợng đƣợc mô
phỏng bằng phần mềm Matlab giúp đã kiểm chứng đƣợc tính đúng đắn của lý
1
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
thuyết. Phần cuối đề cập đến những ứng dụng của vô tuyến nhận thức trong các hệ
thống vô tuyến hiện nay.
Do nội dung đề tài là một vấn đề mới cùng với thời gian và kiến thức còn
hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi những sai sót. Tôi rất mong đƣợc sự
đánh giá, nhận xét và góp ý của các Thầy cô để luận văn có thể hoàn thiện hơn. Tôi
xin trân trọng cảm ơn TS. Đặng Quang Hiếu đã định hƣớng, giúp đỡ tận tình trong
suốt quá trình thực hiện luận văn này. Xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, ngày 17 tháng 03 năm 2014
Học viên
Nguyễn Thanh Bình
2
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC
1.1
Giới thiệu chƣơng
Vô tuyến nhận thức là một công nghệ mới mang đến những thay đổi mang
tính cách mạng trong việc sử dụng tài nguyên phổ tần số. Công nghệ vô tuyến nhận
thức đƣợc thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, những ngƣời dùng vô
tuyến nhận thức có khả năng sử dụng những dải tần chia sẻ mà không gây nhiễu tới
các ngƣời dùng đƣợc cấp phép. Vô tuyến nhận thức cho phép các thiết bị đầu cuối
có thể cảm biến và sử dụng một cách linh hoạt phổ tần sẵn có tại một thời điểm nhất
định. Chƣơng 1 sẽ đề cập cái nhìn tổng quan về công nghệ vô tuyến nhận thức, các
khái niệm, đặc tính cũng nhƣ hoạt động của vô tuyến nhận thức.
1.2
Định nghĩa vô tuyến nhận thức
Vô tuyến nhận thức là một công nghệ mới, do đó định nghĩa “Vô tuyến nhận
thức” đƣợc các cá nhân và tổ chức trên thế giới nhìn nhận theo nhiều cách khác
nhau. Một định nghĩa về các hệ thống thích nghi – AS đã đƣợc giới thiệu trong các
quy định vô tuyến cách đây một thập kỷ. Các hệ thống thích nghi đƣợc định nghĩa
là có khả năng tự thay đổi các thông số, trong đó có tần số và công suất để tăng
cƣờng chất lƣợng thu. Hiện nay, những hệ thống nhƣ vậy bị giới hạn bởi các băng
tần trung và cao, do các điều kiện truyền dẫn thay đổi nhiều. Các quy định quản lý
khả thi cho các hệ thống thích nghi đang hạn chế hoạt động của các hệ thống này ở
các băng do các dịch vụ dành cho an ninh cũng nhƣ các dịch vụ thiên văn học vô
tuyến, xác định vô tuyến, các dịch vụ nghiệp dƣ và quảng bá. Cùng với sự phát triển
của công nghệ, khả năng của các hệ thống thích ứng đƣợc cải thiện. Phần mềm
đóng một vai trò quan trọng trong khía cạnh này và ngày càng khả thi hơn trong
việc phân tích môi trƣờng vô tuyến và điều chỉnh các thông số của hệ thống theo
môi trƣờng. Chẳng hạn việc kết hợp thiết bị vô tuyến và phần mềm mang lại hƣơng
đi mới trong giải quyết vấn đề nghẽn tần số và tăng cƣờng hiệu quả của việc sử
dụng tần số.
3
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
Thuật ngữ “vô tuyến nhận thức” lần đầu tiên xuất hiện trong một tờ báo năm
1999, nó đƣợc Joseph Mitola định nghĩa nhƣ sau: “Vô tuyến nhận thức là mô hình
vô tuyến sử dụng những suy luận chặt chẽ để đạt đƣợc mục tiêu cụ thể đã thiết lập
trong các miền vô tuyến liên quan”.
Cũng trong công trình nghiên cứu về công nghệ vô tuyến nhận thức của một
bài báo, tác giả Simon Haykin đã nêu định nghĩa sau: “Vô tuyến nhận thức là một
hệ thống truyền thông không dây nhận thức có khả năng nhận biết về môi trƣờng
xung quanh nó từ đó học hỏi để thích nghi với sự thay đổi của môi trƣờng bằng
cách thay đổi các tham số hoạt động cụ thể (ví dụ: công suất phát, tần số sóng
mang, phƣơng thức điều chế) trong thời gian thực, với hai đặc tính chính: truyền
thông độ tin cậy cao tại mọi thời điểm và sử dụng hiệu quả phổ tần số vô tuyến”.
FCC định nghĩa vô tuyến nhận thức dựa trên nền tảng vận hành máy phát
nhƣ sau: “Là một hệ thống vô tuyến mà có thể thay đổi các tham số của máy phát
dựa trên sự tƣơng tác với môi trƣờng mà nó hoạt động”.
Trong khi trợ giúp FCC nỗ lực đƣa ra định nghĩa vô tuyến nhận thức, IEEE
đã đƣa ra định nghĩa: “Một bộ phát/thu tần số vô tuyến mà đƣợc thiết kế để phát
hiện một cách thông minh các phân đoạn riêng lẻ của phổ tần đang đƣợc sử dụng, từ
đó có thể truy nhập vào các phổ tần chƣa đƣợc sử dụng một cách nhanh chóng, linh
hoạt, không gây nhiễu tới các ngƣời dùng đƣợc cấp phép”.
Hay một định nghĩa khác đi sâu vào cách thức hoạt động, cấu trúc của vô
tuyến nhận thức: “Vô tuyến nhận thức là hệ thống mà các phần tử của nó có khả
năng thay đổi các tham số (công suất, tần số, các tham số điều chế,…) trên cơ sở
cảm nhận và tƣơng tác với môi trƣờng hoạt động. Theo đó, thiết bị vô tuyến định
nghĩa bằng phần mềm – SDR sẽ là một phần tử quan trọng trong hệ thống vô tuyến
nhận thức. Các tham số của SDR có thể thay đổi một cách linh động bằng phần
mềm mà không cần phải thay đổi cấu trúc phần cứng. Mục đích của vô tuyến nhận
thức là cho phép các thiết bị vô tuyến khác hoạt động trên các dải tần còn trống tạm
thời mà không gây nhiễu đến các hệ thống vô tuyến có quyền ƣu tiên cao hơn hoạt
động trên dải tần đó”.
4
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
Để cho phép tận dụng tối đa tài nguyên phổ tần nhƣ trên, vô tuyến nhận thức
phải có những tính chất cơ bản nhƣ sau:
-
Tự động điều phát hiện và chỉnh tần số khi tần số này bị chiếm bởi ngƣời sử
dụng đƣợc cấp phép
-
Thiết lập các thông số của mạng và hoạt động trên một phần hoặc toàn bộ
băng tần đƣợc cấp phát
-
Chia sẻ kênh tần số và điều khiển công suất thích ứng theo điều kiện cụ thể
của trƣờng vô tuyến, mà ở đó tồn tại nhiều loại hình dịch vụ vô tuyến cùng
chiếm dụng
-
Thực hiện thích ứng độ rộng băng tần, tốc độ truyền và các sơ đồ mã hoá sửa
lỗi để cho phép đạt đƣợc băng thông tốt nhất có thể
-
Tạo và điều khiển búp sóng thích ứng (Adaptive Beamforming) theo đối
tƣợng truyền thông
Cuối cùng ta có thể tiến tới một định nghĩa chung nhất về vô tuyến nhận thức
nhƣ sau: Vô tuyến nhận thức là hệ thống có khả năng phân tích, cảm nhận môi
trường xung quanh, từ đó thay đổi các tham số truyền dẫn để đạt được mục đích
sử dụng phổ tần sẵn có một cách hiệu quả và tiết kiệm nhất.
Hoạt động của vô tuyến nhận thức
1.3
Từ định nghĩa trên ta có thể thấy vô tuyến nhận thức có hai đặc điểm chính sau:
-
Khả năng nhận thức: Khả năng mà công nghệ vô tuyến có thể nắm bắt hoặc
cảm nhận các thông tin từ môi trƣờng vô tuyến. Khả năng này không chỉ đơn
giản là thực hiện giám sát công suất trong một số băng tần số quan tâm mà
còn yêu cầu nhiều công nghệ phức tạp để nắm bắt sự biến đổi của môi
trƣờng vô tuyến theo không gian và theo thời gian nhằm tránh nhiễu ảnh
hƣởng tới những ngƣời dùng khác. Thông qua khả năng này, các phần phổ
không sử dụng tại một thời điểm hoặc vị trí nhất định có thể đƣợc xác định.
Từ đó, hệ thống có thể lựa chọn đƣợc khoảng phổ tốt nhất và các thông số
5
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
hoạt động phù hợp nhất không gây ảnh hƣởng đến ngƣời dùng đƣợc cấp
phép
-
Tính tự cấu hình: Tính tự cấu hình cho phép vô tuyến nhận thức có khả năng
tự động thích ứng theo sự thay đổi của môi trƣờng vô tuyến. Đặc biệt, vô
tuyến nhận thức có thể đƣợc lập trình để truyền và nhận trên các tần số khác
nhau và để sử dụng các công nghệ truy nhập truyền dẫn khác nhau đƣợc hỗ
trợ bởi phần cứng. Một số thông số tự cấu hình cần chú ý là: tần số hoạt
động, tham số điều chế, công suất phát... Mục tiêu cơ bản của vô tuyến nhận
thức là tận dụng đƣợc phổ tần có sẵn một cách tốt nhất thông qua khả năng
tự nhận thức và tính tự cấu hình. Vì hầu hết phổ tần đã đƣợc gán, nên thách
thức lớn nhất là sử dụng chia sẻ phổ tần đƣợc cấp phép mà không gây can
nhiễu tới quá trình truyền dẫn của những ngƣời dùng đƣợc cấp phép khác.
Vô tuyến nhận thức cho phép sử dụng những vùng phổ trống theo từng thời
điểm, phổ này ám chỉ hố phổ hay khoảng trắng (hình 1.1). Nếu dải phổ này
đƣợc ngƣời dùng sơ cấp (ngƣời dùng đƣợc cấp phép) sử dụng tiếp thì những
ngƣời dùng vô tuyến nhận thức phải chuyển đến hố phổ khác hoặc nếu vẫn ở
trong cùng một băng thì phải thay đổi mức công suất phát hoặc sơ đồ điều
chế để tránh nhiễu:
Hình 1. 1: Minh họa hố phổ [1]
6
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
Hoạt động của vô tuyến nhận thức có thể đƣợc mô tả nhƣ hình 1.2 dƣới đây:
Tín hiệu thu/phát
Môi trường vô
tuyến
Đặc tính
phổ tần
CHIA SẺ PHỔ
Dò người
dùng sơ cấp
Lập kế hoạch sử dụng
phổ cho người dùng
DỊCH CHUYỂN PHỔ
Đảm bảo nhu cầu kết
nối liên tục của người
dùng
CẢM BIẾN PHỔ
Cảm biến dải phổ tần
số chưa được sử dụng
Quy tắc
quyết định
Hố phổ
QUYẾT ĐỊNH PHỔ
Dung lượng kênh truyền
Lựa chọn dải tần số tốt
nhất để hoạt động
Hình 1. 2: Các hoạt động chính của mạng vô tuyến nhận thức
Hình 1.2 thể hiện các nhiệm vụ chính của một mạng vô tuyến nhận thức. Các nhiệm
vụ này có thể đƣợc phân loại nhƣ sau:
-
Cảm nhận phổ/Cảm biến phổ: Vô tuyến nhận thức giám sát các dải phổ sẵn
có, thực hiện các kỹ thuật cảm biến phổ để xác định vị trí các hố phổ hay
vùng phổ tạm thời chƣa đƣợc sử dụng
-
Quản lý phổ: Chiếm giữ phần phổ tần tốt nhất để đƣa ra các kế hoạch phân
bổ phổ cho các ngƣời dùng một cách hợp lý
-
Dịch chuyển phổ: Đảm bảo các yêu cầu truyền thông thông suốt và liên tục
-
Chia sẻ phổ: Phân chia phổ tần hợp lý giữa các ngƣời dùng vô tuyến nhận
thức đang cùng tồn tại
7
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
Các mạng vô tuyến nhận thức cho phép các giao thức truyền thông nhận biết
phổ. Tuy nhiên, việc sử dụng phổ tần động gây ra các ảnh hƣởng bất lợi đến các hệ
thống vô tuyến sử dụng dải tần cấp phép cố đinh.
Hình 1.3 minh họa giao thức giao tiếp giữa các lớp trong mô hình mạng vô
tuyến nhận thức. Chính sự tác động này đòi hỏi mạng vô tuyến nhận thức phải có
chức năng thiết kế đa lớp. Đặc biệt, việc cảm biến phổ và chia sẻ phổ phải đƣợc kết
hợp để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ. Trong chức năng chia sẻ và dịch chuyển
phổ, các chức năng ở lớp ứng dụng, truyền tải, định tuyến, truy nhập phƣơng tiện và
lớp vật lí đƣợc thực hiện đồng thời.
Hình 1. 3: Các chức năng giao tiếp trong mạng vô tuyến nhận thức [1]
Nhƣ vậy, chức năng cảm biến phổ tần đƣợc thực hiện tại lớp vật lý trong khi
chức năng chia sẻ phổ đƣợc thực hiện chủ yếu tại lớp liên kết dữ liệu.
1.4
Các chức năng chính của mạng vô tuyến nhận thức
Các công nghệ vô tuyến nhận thức cung cấp khả năng sử dụng và chia sẻ phổ
theo cơ hội. Các kỹ thuật truy nhập phổ tần động cho phép vô tuyến nhận thức hoạt
động trong kênh tốt nhất có sẵn. Cụ thể hơn, công nghệ vô tuyến nhận thức cho
phép ngƣời dùng có các khả năng:
8
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
-
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
Xác định các khoảng phổ sẵn có và phát hiện ra những ngƣời dùng sơ cấp
khi ngƣời dùng đó hoạt động trong băng cấp phép – Cảm biến phổ
-
Lựa chọn kênh tốt nhất trong vùng phổ trống – Quản lí phổ
-
Phân bổ phổ tần khả dụng cho ngƣời dùng – Chia sẻ phổ
-
Bỏ kênh đang chiếm dụng khi phát hiện ngƣời dùng sơ cấp – Dịch chuyển
phổ
1.4.1 Cảm biến phổ
Một yêu cầu quan trọng của mạng vô tuyến nhận thức là cảm nhận các hố
phổ. Nhƣ đã nêu trên, một mạng vô tuyến nhận thức đƣợc thiết kế để cảm nhận và
nhạy cảm với sự thay đổi của môi trƣờng vô tuyến xung quanh. Chức năng cảm
biến phổ cho phép vô tuyến nhận thức thích ứng với môi trƣờng xung quanh để phát
hiện các hố phổ. Một trong những cách hiệu quả nhất để phát hiện các hố phổ là
phát hiện các ngƣời dùng sơ cấp đang truyền nhận dữ liệu trong vùng hoạt động
trong vùng phổ cảm biến. Tuy nhiên, trên thực tế rất khó cho một mạng vô tuyến
nhận thức có thể đo trực tiếp các thông số của kênh đang sử dụng giữa máy phát và
thu của ngƣời dùng sơ cấp. Do vậy, phƣơng pháp khả thi là tập trung vào việc phát
hiện máy phát sơ cấp dựa trên các quan sát cục bộ của ngƣời dùng vô tuyến nhận
thức. (Các kỹ thuật cảm biến phổ sẽ đƣợc trình bày cụ thể trong chƣơng 2)
1.4.2 Quản lý phổ
Trong mạng vô tuyến nhận thức, các khoảng phổ chƣa sử dụng sẽ đƣợc trải
ra trên một vùng tần số rộng bao gồm cả băng tần cấp phát và không cấp phát. Các
khoảng phổ này đƣợc phát hiện thông qua cảm biến phổ (Spectrum Sensing). Theo
đó, các dữ liệu cảm biến không chỉ thay đổi theo thời gian mà còn thay đổi theo các
thông tin băng tần phổ nhƣ tần số và băng thông hoạt động. Vì mạng vô tuyến nhận
thức phải quyết định đƣợc băng tần phổ tốt nhất để đáp ứng các yêu cầu về chất
lƣợng dịch vụ_QoS trên toàn bộ các băng tần có sẵn, nên các chức năng quản lý phổ
phải đƣợc tính toán dựa trên đặc tính phổ động. Chúng ta phân loại các chức năng
này thành:
9
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
-
Cảm biến phổ
-
Phân tích phổ
-
Quyết định phổ
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
Trong đó, cảm biến phổ nhƣ đã đề cập ở trên là chức năng thuộc lớp vật lý,
phân tích phổ và quyết định phổ thuộc chức năng của các lớp cao hơn.
1.4.2.1 Phân tích phổ
Trong mạng vô tuyến nhận thức các hố phổ có sẵn cho thấy các đặc tính
khác nhau của phổ biến đổi theo thời gian. Phân tích phổ cho phép phân loại các
băng tần khác nhau, từ đó có thể lựa chọn đƣợc băng tần phù hợp với yêu cầu của
ngƣời dùng. Để thấy đƣợc chất lƣợng của các băng tần cụ thể cần phải phân tích các
thông số nhƣ nhiễu, tỷ lệ lỗi kênh, suy hao đƣờng truyền, lỗi liên kết vô tuyến, trễ
lớp liên kết và thời gian nắm giữ.
-
Nhiễu: Các băng tần khác nhau thƣờng có các mức nhiễu khác nhau, do đó
cần xác định các đặc điểm nhiễu của kênh. Từ mức nhiễu tại máy thu sơ cấp,
sẽ suy ra công suất phát cho phép của ngƣời dùng, qua đó có thể ƣớc tính
dung lƣợng kênh
-
Suy hao đƣờng truyền: Khi tần số tăng, suy hao đƣờng truyền cũng tăng. Do
đó, nếu công suất phát của ngƣời dùng không đổi thì vùng phủ sẽ thu hẹp tại
các tần số cao. Nếu tăng công suất phát để bù lại suy hao đƣờng truyền thì sẽ
tăng nhiễu đối với các ngƣời dùng khác
-
Lỗi liên kết vô tuyến: Dựa vào sơ đồ điều chế và mức nhiễu của băng tần, tỷ
lệ lỗi của kênh đƣợc thay đổi
-
Trễ lớp liên kết: Để xác định suy hao đƣờng truyền, lỗi liên kết vô tuyến và
nhiễu yêu cầu các giao thức lớp liên kết dữ liệu là khác nhau tại các băng tần
khác nhau. Điều này gây ra trễ truyền dẫn gói giữa các lớp liên kết dữ liệu
khác nhau
-
Thời gian nắm giữ: Các hoạt động của ngƣời dùng sơ cấp có thể ảnh hƣởng
tới chất lƣợng kênh trong các mạng vô tuyến nhận thức. Thời gian nắm giữ
là thời gian mà ngƣời dùng vô tuyến nhận thức chiếm giữ một băng tần đƣợc
10
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
cấp phép trƣớc khi bị ngắt. Hiển nhiên là thời gian nắm giữ càng lâu thì chất
lƣợng càng tốt. Có thể tăng thời gian nắm giữ bằng kỹ thuật chuyển giao
thống kê
1.4.2.2 Quyết định phổ
Khi tất cả các băng tần đã sẵn có, thì cần phải lựa chọn đƣợc băng tần phù
hợp nhất với các yêu cầu về QoS và các đặc tính phổ. Do vậy, quản lý phổ cần phải
biết đƣợc các yêu cầu về QoS của ngƣời dùng. Dựa vào đó xác định tốc độ dữ liệu,
tỷ lệ lỗi chấp nhận đƣợc, giới hạn trễ, mô hình truyền dẫn và băng tần truyền. Cuối
cùng là lựa chọn băng tần phù hợp theo một số qui tắc quyết định. Các quy tắc chọn
lựa đƣợc đề xuất dựa trên tính công bằng và tầm quan trọng của thông tin truyền
thông.
1.4.3 Dịch chuyển phổ
Dịch chuyển phổ đƣợc định nghĩa là quá trình một ngƣời dùng mạng vô
tuyến nhận thức thay đổi tần số hoạt động của mình. Quá trình này đƣợc gọi là quá
trình chuyển giao phổ. Trong mạng vô tuyến nhận thức, chuyển giao phổ xảy ra khi
các điều kiện kênh hiện thời có biểu hiện xấu đi hoặc có sự trở lại của ngƣời dùng
sơ cấp. Các giao thức giữa các lớp khác nhau trong mạng phải phù hợp với các tham
số kênh. Mục đích của việc dịch chuyển phổ trong mạng vô tuyến nhận thức là để
đảm bảo quá trình truyền dẫn xảy ra liên tục, chất lƣợng và không gây ảnh hƣởng
xấu đến ngƣời dùng chín trong cùng phổ đƣợc cấp phép.
1.4.4 Chia sẻ phổ
Trong mạng vô tuyến nhận thức, một trong những thách thức chính khi sử
dụng phổ tần động là việc chia sẻ phổ tần. Không giống nhƣ cảm biến phổ liên quan
chính tới lớp vật lý, hay quản lý phổ liên quan tới các dịch vụ lớp cao hơn, chức
năng chia sẻ phổ tƣơng tự với công nghệ phân bổ tài nguyên và đa truy nhập đa
ngƣời dùng trong lớp MAC của các hệ thống truyền thông hiện nay. Vấn đề chính
trong việc chia sẻ phổ là sự tồn tại đồng thời giữa những ngƣời dùng vô tuyến nhận
thức và các ngƣời dùng sơ cấp cũng nhƣ việc quản lý các băng thông không liên
11
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
tục. Dựa trên các tiêu chuẩn khác nhau, các kỹ thuật chia sẻ phổ có thể đƣợc phân
loại theo nhiều cách khác nhau.
Cấu trúc mạng
Tập trung
Phân tán
Phƣơng thức cấp phát
phổ tần số
Hợp tác
Không hợp tác
Phƣơng thức truy nhập
phổ tần số
Overlay
Underlay
Hình 1. 4: Phân loại các công nghệ chia sẻ phổ tần
-
Theo cấu trúc mạng, có thể phân thành chia sẻ phổ tập trung và không tập
trung (phân tán). Chia sẻ phổ tập trung nghĩa là toàn bộ các nút trong mạng
gửi thông tin cảm biến phổ của chúng tới đơn vị điều khiển trung tâm, sau đó
đơn vị điều khiển trung tâm sẽ thiết lập lƣợc đồ phân bổ phổ; trong khi đó
chia sẻ phổ phân tán nghĩa là toàn bộ các nút tự quyết định truy nhập phổ
theo cách riêng.
-
Theo cách thức cấp phát phổ tần, có thể phân loại thành chia sẻ phổ hợp tác
và không hợp tác. Với kỹ thuật chia sẻ phổ hợp tác mỗi nút chia sẻ kết quả
cảm biến phổ của nó với các nút khác, sau đó thuật toán phân bổ phổ sẽ
quyết định dựa trên các thông tin này; trái lại chia sẻ phổ không hợp tác có
nghĩa là các nút tự nó quyết định chia sẻ phổ.
-
Theo công nghệ truy nhập có thể phân thành chia sẻ phổ “Overlay” và chia
sẻ phổ “Underlay”. Overlay có nghĩa là ngƣời dùng truy nhập mạng thông
qua hố phổ không đƣợc sử dụng, thực tế thì là ghép kênh phân chia thời gian
giữa các ngƣời dùng vô tuyến nhận thức và ngƣời dùng chính, do đó nhiễu
tới ngƣời dùng sơ cấp là nhỏ nhất. Underlay có nghĩa là một ngƣời dùng vô
tuyến nhận thức có thể dùng công nghệ trải phổ nhƣ CDMA và UWB để chia
sẻ cùng một băng tần với ngƣời dùng cấp phép, trong trƣờng hợp này thì
ngƣời dùng cấp phép sẽ coi các ngƣời dùng vô tuyến nhận thức nhƣ là nhiễu.
Hiển nhiên, khi ngƣời dùng vô tuyến nhận thức biết toàn bộ thông tin về hệ
thống cấp phép thì overlay thể hiện tốt hơn underlay và ngƣợc lại.
12
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
1.5
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
Kiến trúc vật lí của vô tuyến nhận thức
Kiến trúc tổng quan của bộ thu phát vô tuyến nhận thức đƣợc chỉ ra trên hình
1.5(a). Thành phần chính của bộ thu phát vô tuyến nhận thức là đầu cuối RF (RF
Front-End) và khối xử lí băng gốc. Mỗi thành phần có thể tự cấu hình thông qua
một bus điều khiển để thích ứng với môi trƣờng RF biến đổi theo thời gian. Trong
đầu cuối RF, tín hiệu thu đƣợc khuếch đại, trộn và chuyển đổi tƣơng tự số_A/D.
Trong khối xử lí băng gốc, tín hiệu đƣợc điều chế/giải điều chế, mã hóa/giải mã.
Khối xử lí băng gốc của mạng vô tuyến nhận thức về bản chất cũng tƣơng tự nhƣ bộ
thu phát đang tồn tại. Tuy nhiên, điểm mới ở mạng vô tuyến nhận thức nằm ở đầu
cuối RF.
Điểm mới của bộ thu phát vô tuyến nhận thức là khả năng cảm nhận băng
rộng của đầu cuối RF. Chức năng này liên quan tới các công nghệ phần cứng RF
nhƣ anten băng rộng, khuếch đại công suất, và bộ lọc thích ứng. Phần cứng RF cho
vô tuyến nhận thức có khả năng điều chỉnh tới bất kì phần nào của dải phổ tần rộng
lớn. Cảm biến phổ cũng cho phép việc đo lƣờng trong thời gian thực các thông tin
phổ từ môi trƣờng vô tuyến.
13
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
Hình 1. 5: Kiến trúc vật lí của vô tuyến nhận thức [1]
(a) Bộ thu phát của vô tuyến nhận thức
(b) Kiến trúc đầu cuối RF/tƣơng tự băng rộng
Nói chung, kiến trúc đầu cuối băng rộng cho mạng vô tuyến nhận thức đƣợc
miêu tả nhƣ trên hình 1.5(b). Đầu cuối RF của mạng vô tuyến nhận thức bao gồm
các thành phần sau:
-
Bộ lọc RF: lựa chọn băng mong muốn bằng cách lọc thông dải tín hiệu RF
nhận đƣợc
-
Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA): LNA khuếch đại tín hiệu mong muốn
đồng thời giảm thiểu các thành phần tạp âm
-
Bộ trộn: tại bộ trộn, tín hiệu nhận đƣợc đƣợc trộn với tần dao động nội và
đƣợc chuyển đổi thành tần số băng gốc (Base band) hoặc trung tần (IF)
14
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
-
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO): tạo ra tín hiệu tại một tần số
nhất định với điện áp cho trƣớc để trộn với tín hiệu tới. Quá trình này chuyển
đổi tín hiệu tới thành tần số băng gốc hoặc trung tần.
-
Vòng khóa pha (PLL): PLL đảm bảo rằng tín hiệu đƣợc khóa ở một tần số
nhất định và có thể đƣợc sử dụng để tạo ra các tần số chính xác
-
Bộ lọc lựa chọn kênh: bộ lọc đƣợc sử dụng để lựa chọn kênh mong muốn và
loại bỏ các kênh lân cận. Có hai loại bộ lọc lựa chọn kênh: “máy thu chuyển
đổi trực tiếp” sử dụng bộ lọc thông thấp để lựa chọn kênh và “máy thu đổi
tần” lại sử dụng bộ lọc thông dải
-
Điều khiển độ lợi tự động (AGC): duy trì độ lợi hoặc mức công suất đầu ra
của bộ khuếch đại không đổi qua một dải rộng các mức tín hiệu đầu vào.
Trong kiến trúc này, tín hiệu băng rộng vào đầu cuối RF, đƣợc lấy mẫu bởi
bộ chuyển đổi tƣơng tự/số tốc độ cao và thực hiện đo đạc để phát hiện sự có mặt
của ngƣời dùng sơ cấp.
Anten RF băng rộng nhận các tín hiệu từ các máy phát khác nhau hoạt động
tại các mức công suất, các băng thông và các vị trí khác nhau. Kết quả là, đầu cuối
RF phải có khả năng phát hiện tín hiệu yếu trong một dải tần số động lớn. Khả năng
này đòi hỏi phải có bộ chuyển đổi tƣơng tự/số tốc độ vài GHz với độ phân giải cao,
mà điều này thì rất khó thực hiện.
Trƣớc khi thực hiện chuyển đổi, bộ chuyển đổi A/D tốc độ vài GHz cần phải
giảm bớt dải động của tín hiệu bằng cách lọc các tín hiệu mạnh. Vì các tín hiệu
mạnh có thể nằm ở bất cứ đâu trong dải phổ rộng, nên cần phải có các bộ lọc khả
chỉnh (Tunable Notch Filters). Một cách khác nữa là sử dụng nhiều anten sao cho
việc lọc tín hiệu đƣợc thực hiện trong miền không gian hơn là trong miền tần số.
Nhiều anten có thể nhận tín hiệu một cách chọn lọc bằng cách sử dụng các công
nghệ điều khiển búp sóng.
Thách thức chủ yếu trong kiến trúc vật lí của vô tuyến nhận thức là phát hiện
chính xác các tín hiệu yếu của những ngƣời dùng sơ cấp qua một dải phổ tần rộng.
Điều này đỏi hỏi yêu cầu hệ thống có phần cứng đủ mạnh. Do vậy, việc thực hiện
15
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
đầu cuối RF băng rộng và bộ chuyển đổi tƣơng tự/số là vấn đề quan trọng hàng đầu
trong các mạng vô tuyến nhận thức. Phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét mô hình
tham khảo khi thực hiện vô tuyến nhận thức dựa trên SDR. Từ đó thấy đƣợc sự
khác nhau cơ bản nhất giữa hệ thống vô tuyến nhận thức và hệ thống vô tuyến định
nghĩa bằng phần mềm, đồng thời thấy đƣợc các ƣu điểm vƣợt trội của mạng vô
tuyến nhận thức.
1.6
Mô hình thực hiện vô tuyến nhận thức
1.6.1 Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm
Trƣớc khi trình bày kiến trúc của hệ thống vô tuyến nhận thức, ta sẽ đi sơ
qua về hệ thống vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm, nó đƣợc coi là nền tảng cho
việc thực hiện vô tuyến nhận thức trong tƣơng lai.
SDR là một hệ thống truyền thông không dây có thể cấu hình lại, trong đó
các tham số truyền dẫn (nhƣ băng tần hoạt động, phƣơng thức điều chế, giao thức...)
có thể đƣợc điều khiển một cách tự động. Chức năng này đƣợc thực hiện bởi các
thuật toán xử lý tín hiệu đƣợc điều khiển bằng phần mềm. SDR là chìa khóa để thực
thi hệ thống vô tuyến nhận thức. Dựa theo vùng hoạt động của nó thì SDR có thể là:
-
Một hệ thống đa băng tần: SDR sẽ hỗ trợ nhiều băng tần khác nhau đƣợc sử
dụng bởi một hệ thống vô tuyến (ví dụ, GSM900, GSM1800, GSM1900)
-
Một hệ thống đa chuẩn: SDR sẽ hỗ trợ nhiều chuẩn khác nhau (ví dụ GSM,
WCDMA, CDMA2000, WiMAX, WiFi). Các giao diện vô tuyến khác nhau
với cùng một chuẩn (ví dụ
IEEE 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n,
802.11ac trong chuẩn WiFi) cũng có thể đƣợc hỗ trợ bởi SDR
-
Một hệ thống hỗ trợ đa dịch vụ: SDR sẽ hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ, ví dụ
nhƣ thoại tế bào hay truy cập internet không dây băng rộng
-
Một hệ thống đa kênh: SDR có thể hoạt động truyền/nhận dữ liệu trên nhiều
băng tần cùng lúc.
16
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
Vô tuyến định nghĩa phần mềm sử dụng các vi xử lý số khả trình để thực
hiện xử lý dữ liệu cần thiết để truyền và nhận các thông tin băng tần cơ sở tại tần số
vô tuyến. Cấu trúc tổng quát của bộ thu phát SDR đƣợc mô tả trong hình 1.6:
Hình 1. 6: Cấu trúc tổng quát bộ thu phát SDR
Hầu hết các thành phần trong cấu trúc của SDR (nhƣ bộ xử lý tín hiệu, bộ
chuyển đổi tƣơng tự/số, bộ xử lý băng tần cơ sở...) đều tƣơng tự với vô tuyến truyền
thống, chỉ khác ở chỗ là các thành phần này trong SDR có thể đƣợc điều khiển bởi
các giao thức ở lớp cao hơn hoặc có thể đƣợc cấu hình lại bởi các module vô tuyến
nhận thức.
Trong SDR các đặc tính về tần số sóng mang, băng thông tín hiệu, điều chế,
và truy nhập mạng đều đƣợc định nghĩa bằng phần mềm. Ngày nay, các SDR cũng
đƣợc thực hiện các mật mã bảo mật cần thiết; mã hóa sửa lỗi trƣớc (FEC); và mã
hóa nguồn tiếng nói hình ảnh, hoặc dữ liệu trong phần mềm.
1.6.2 Mô hình thực hiện vô tuyến nhận thức
Nhƣ đã đề cập ở trên SDR là cơ sở để thực hiện hệ thống vô tuyến nhận thức.
Lí do rất đơn giản: SDR cung cấp một mặt bằng vô tuyến rất mềm dẻo, ở đó ta có
thể lập trình và điều khiển thích ứng bởi một khối giám sát trung tâm. Các công
nghệ điện tử hiện tại, bao gồm vi xử lý nhanh, ADC/DAC tốc độ cao, bộ tổng hợp
tần số tốc độ cao, công nghệ vi điện tử,… đã khiến cho SDR có thể thực hiện đƣợc
với chi phí rất hợp lí và kích thƣớc nhỏ gọn. Các hệ thống SDR hiện tại có thể thực
hiện vô tuyến nhận thức thực sự trong tƣơng lai. Hình 1.7 so sánh vô tuyến thông
thƣờng, vô tuyến đƣợc định nghĩa bằng phần mềm và vô tuyến nhận thức.:
17
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG
Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1
Hệ thống vô tuyến
thông thường
RF
Điều chế
Mã hóa
Tạo khung
Phần cứng
Hệ thống vô tuyến định
nghĩa bằng phần mềm
RF
Phần mềm
Điều chế
Mã hóa
Tạo khung
Phần cứng
RF
Hệ thống vô tuyến
nhận thức
Xử lý tín hiệu
Xử lý tín hiệu
Phần mềm
Điều chế
Mã hóa
Tạo khung
Xử lý tín hiệu
Phần mềm
Phần cứng
Xử lý nhận thức (cảm nhận, quyết định, chia
sẻ)
Hình 1. 7: So sánh hệ thống vô tuyến thông thƣờng, SDR và CR
Từ sơ đồ trên, vô tuyến nhận thức có thể thực hiện hoàn toàn chỉ dựa trên
những thay đổi ở cấu trúc phần mềm và không thay đổi cấu trúc phần cứng bên
trong nhƣ các hệ thống vô tuyến trƣớc đây. Để phát triển vô tuyến nhận thức từ
SDR, ta chỉ cần thêm vào SDR các khối xử lí nhận thức nhƣ DFS, TPC và IPD.
Điểm khác biệt chủ yếu của vô tuyến nhận thức so với vô tuyến đƣợc định nghĩa
bằng phần mềm (SDR) là khả năng nhận thức, tự động thích ứng nhanh chóng với
sự thay đổi của môi trƣờng vô tuyến. Trong khi SDR chỉ có thể thay đổi các quyết
định theo môi trƣờng trong phạm vi một tập các lựa chọn đƣợc cấu hình sẵn qua
phần mềm, thì vô tuyến nhận thức có khả năng tự cấu hình, tức là nó có thể thích
ứng ngay với điều kiện của môi trƣờng mà không cần cấu hình trƣớc. Nhƣ vậy, vô
tuyến nhận thức thích nghi với môi trƣờng phổ; trong khi SDR lại thích nghi với
môi trƣờng mạng, và chúng có một phần chồng lên nhau về chức năng.
Hình 1. 8: Quan hệ giữa vô tuyến nhận thức và SDR
18
