TOM TAT HUYEN doc BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG DƯƠNG THỊ THANH HUYỀN CẢM NHẬN PHỔ THÍCH NGHI DỰA TRÊN TỈ SỐ TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU TRONG VÔ TUYẾN THÔNG MINH Chuyên ngành Kỹ thuật điện tử Mã số[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG DƯƠNG THỊ THANH HUYỀN CẢM NHẬN PHỔ THÍCH NGHI DỰA TRÊN TỈ SỐ TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU TRONG VƠ TUYẾN THÔNG MINH Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số : 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2013 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TĂNG TẤN CHIẾN Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn Phản biện 2: PGS.TS Lê Tiến Thường Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp Đại Học Đà Nẵng vào ngày 22 tháng 12 năm 2013 Có thể tìm hiểu Luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Vô tuyến thông minh giải pháp công nghệ để cảm biến môi trường vô tuyến nhằm phát chiếm dụng/không chiếm dụng dải tần cấp phép thực q trình thơng tin dải tần nhằm mục đích tận dụng hiệu phần phổ tần chưa sử dụng Vì vậy, yêu cầu quan trọng mạng vơ tuyến thơng minh khả cảm nhận hố phổ hay khoảng trắng, tức phần phổ không sử dụng người sử dụng (primary user) dành cho người sử dụng vô tuyến thông minh (cognitive radio user/secondary user) Kỹ thuật cảm nhận phổ chủ yếu quan tâm vơ tuyến thơng minh phát phổ dựa lượng dựa đặc tính dừng Phát phổ dựa lượng kỹ thuật đơn giản, có ưu điểm thời gian cảm nhận phổ ngắn phương pháp cho kết khơng đáng tin cậy điều kiện tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) thấp Mặt khác, phát phổ dựa đặc tính dừng cho kết phát phổ đáng tin cậy, tính tốn phức tạp yêu cầu thời gian phát phổ dài Vì vậy, luận văn đưa giải pháp cảm nhận phổ thích nghi, SU lựa chọn kỹ thuật phát phổ dựa lượng phát phổ dựa đặc tính dừng dựa tỉ số tín hiệu nhiễu dự đốn trước Giải pháp đạt hai mục tiêu cảm nhận phổ vơ tuyến thơng minh, là: khả phát phổ xác (kể điều kiện SNR thấp) tối thiểu thời gian phát phổ trung bình Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu phương pháp cảm nhận phổ thích nghi dựa tỉ số tín hiệu nhiễu để đạt khả phát phổ tốt tối thiểu thời gian phát phổ vô tuyến thông minh Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu cấu trúc mạng, kỹ thuật vô tuyến thông minh, dịch vụ tương lai vô tuyến thông minh, kỹ thuật cảm nhận phổ cảm nhận phổ thích nghi dựa tỉ số tín hiệu nhiễu vô tuyến thông minh Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt luận văn kết hợp nghiên cứu lý thuyết mơ kỹ thuật cảm nhận phổ thích nghi dựa tỉ số tín hiệu nhiễu mạng vơ tuyến thông minh - Thu thập tài liệu thông tin liên quan đến đề tài - Tiến hành mơ kỹ thuật cảm nhận phổ thích nghi dựa tỉ số tín hiệu nhiễu phần mềm Matlab Bố cục đề tài Ngoài phần Mở đầu, Kết luận hướng phát triển, Tài liệu tham khảo, Phụ lục, luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan mạng vô tuyến thông minh Chương 2: Kỹ thuật cảm nhận phổ mạng vô tuyến thơng minh Chương 3: Phương pháp cảm nhận phổ thích nghi dựa SNR vô tuyến thông minh Chương 4: Mơ phương pháp cảm nhận phổ thích nghi dựa SNR vô tuyến thông minh Tổng quan tài liệu nghiên cứu Tài liệu nghiên cứu tham khảo báo khoa học, luận văn thạc sỹ từ trường đại học quốc gia khác giới, với trang web tìm hiểu Luận văn chắn khơng tránh khỏi sai sót, mong nhận góp ý Hội đồng để luận văn trở thành công trình thực có ích CHƯƠNG TỔNG QUAN MẠNG VÔ TUYẾN THÔNG MINH 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Vô tuyến thông minh không công nghệ mới, mà cịn thay đổi mang tính cách mạng việc sử dụng phổ tần vơ tuyến Công nghệ Vô tuyến thông minh thiết kế nhằm nâng cao hiệu sử dụng phổ tần, người dùng thơng minh có khả sử dụng phổ chia sẻ mà không gây nhiễu tới người dùng cấp phép Vô tuyến thông minh cho phép đầu cuối cảm nhận, hiểu biết sử dụng cách linh hoạt phổ tần sẵn có thời điểm định Chương đề cập cách tổng quan công nghệ Vô tuyến thông minh, khái niệm, đặc tính hoạt động Vơ tuyến thơng minh 1.2 ĐỊNH NGHĨA VƠ TUYẾN THÔNG MINH Dựa vào số định nghĩa ta nhận thấy Vơ tuyến thơng minh có số đặc điểm sau: - Sự quan sát: dù trực tiếp hay gián tiếp, vơ tuyến thơng minh có khả thu thập thông tin môi trường hoạt động - Khả thích ứng: vơ tuyến thơng minh thay đổi tham số hoạt động cho phù hợp với hồn cảnh - Tính thơng minh: có khả sử dụng thơng tin cách linh hoạt để đạt mục tiêu định sẵn - Vô tuyến thông minh hệ thống vơ tuyến có khả phân tích mơi trường xung quanh nó, từ thay đổi tham số truyền dẫn để sử dụng phổ tần sẵn có cách hiệu 1.3 HOẠT ĐỘNG CỦA VƠ TUYẾN THƠNG MINH Hoạt động vơ tuyến thơng minh mơ tả theo chu trình thơng minh gồm nhiệm vụ mạng Vơ tuyến thơng minh; nhiệm vụ phân loại thành [16]: - Cảm nhận phổ: Vô tuyến thông minh giám sát băng thông phổ sẵn có, nắm bắt thơng tin chúng sau phát hố phổ - Quản lý phổ: chiếm giữ phần phổ tần tốt để đưa kế hoạch phân bổ phổ cho người dùng cách hợp lý - Dịch chuyển phổ: đảm bảo yêu cầu truyền thông suốt liên tục - Chia sẻ phổ: lập lịch phổ tần hợp lý người dùng vô tuyến thông minh tồn 1.4 CÁC CHỨC NĂNG CHÍNH CỦA VƠ TUYẾN THƠNG MINH Các kỹ thuật Vơ tuyến thơng minh cung cấp khả sử dụng chia sẻ phổ theo hội Các kỹ thuật truy nhập phổ tần động cho phép Vô tuyến thông minh hoạt động kênh tốt có sẵn Cụ thể hơn, cơng nghệ Vô tuyến thông minh cho phép người dùng thông minh khả năng: (1) xác định phần phổ sẵn có phát người dùng người dùng hoạt động băng cấp phép (cảm nhận phổ), (2) lựa chọn kênh tốt có sẵn (quản lí phổ), (3) đồng truy nhập tới kênh với người dùng khác (chia sẻ phổ), (4) bỏ kênh phát có người dùng (dịch chuyển phổ) 1.4.1 Cảm nhận phổ a Phát máy phát - Phát dựa lọc kết hợp - Phát dựa lượng - Phát dựa đặc tính dừng tuần hoàn b Phát theo chế hợp tác c Phát dựa nhiễu 1.4.2 Quản lý phổ a Phân tích phổ b Quyết định phổ 1.4.3 Dịch chuyển phổ 1.4.4 Chia sẻ phổ 1.5 KIẾN TRÚC VẬT LÝ CỦA VƠ TUYẾN THƠNG MINH 1.6 MƠ HÌNH THỰC HIỆN VƠ TUYẾN THƠNG MINH 1.6.1 Vơ tuyến định nghĩa phần mềm (SDR) Vô tuyến định nghĩa phần mềm hệ thống truyền thơng khơng dây cấu hình lại, tham số truyền dẫn (như băng tần hoạt động, phương thức điều chế, giao thức ) điều khiển cách tự động Chức thực thuật toán xử lý tín hiệu điều khiển phần mềm SDR chìa khóa để thực thi Vơ tuyến thơng minh 1.6.2 Mơ hình thực vơ tuyến thơng minh Vơ tuyến thơng minh thực hồn toàn dựa thay đổi cấu trúc phần mềm, thay đổi cấu trúc phần cứng bên hệ thống vô tuyến trước Để phát triển vô tuyến thông minh từ SDR, ta cần thêm vào SDR khối xử lí thơng minh DFS, TPC IPD Điểm khác biệt chủ yếu vô tuyến thông minh so với vô tuyến định nghĩa phần mềm (SDR) khả thơng minh, tự động thích ứng nhanh chóng với thay đổi mơi trường vơ tuyến Trong SDR thay đổi định theo môi trường phạm vi tập lựa chọn cấu hình sẵn qua phần mềm, vơ tuyến thơng minh có khả tự cấu hình, tức thích ứng với điều kiện mơi trường mà khơng cần cấu hình trước Như vậy, vơ tuyến thơng minh thích nghi với mơi trường phổ; SDR lại thích nghi với mơi trường mạng, chúng có phần chồng lên chức 1.7 CÁC DỊCH VỤ TƯƠNG LAI CỦA VƠ TUYẾN THƠNG MINH Mạng Vơ tuyến thơng minh áp dụng trường hợp sau: Mạng cho thuê, Mạng lưới thông minh, Mạng khẩn cấp, Mạng quân đội 1.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG Sự đời phát triển Vô tuyến thông minh giải hạn chế sử dụng phổ tần Công nghệ truy nhập phổ tần động cho phép Vô tuyến thông minh hoạt động tốt kênh có sẵn Chương trình bày tổng quan Công nghệ Vô tuyến thông minh gồm định nghĩa, nhiệm vụ như: - Cảm nhận phổ: xác định phần phổ sẵn có phát người dùng cấp phép người dùng hoạt động băng cấp phép - Quyết định phổ: lựa chọn kênh tốt có sẵn - Chia sẻ phổ: đồng truy nhập tới kênh với người dùng khác - Dịch chuyển phổ: bỏ kênh phát có người dùng cấp phép điều kiện kênh xấu Ngoài ra, chương trình bày hoạt động Vơ tuyến thơng minh thơng qua chu trình thơng minh, kiến trúc ngăn xếp kiến trúc vật lý Vô tuyến thông minh CHƯƠNG KỸ THUẬT CẢM NHẬN PHỔ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN THÔNG MINH 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Trong chương này, luận văn đề cập đến vấn đề cảm nhận phổ đưa số thuật toán cảm nhận phổ 2.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA CẢM NHẬN PHỔ 2.3 NHỮNG THỬ THÁCH CỦA CẢM NHẬN PHỔ 2.3.1 Vấn đề nút ẩn 2.3.2 Khả cảm nhận phổ bị giới hạn 2.3.3 Cảm nhận phổ băng rộng 2.3.4 Cảm nhận phổ môi trường đa đường 2.3.5 Thời gian cảm nhận phổ 2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢM NHẬN PHỔ 2.4.1 Cảm nhận phổ không hợp tác (Non-cooperative spectrum sensing) a Phát phổ dựa lượng (Energy Detection) Cho y(k) dãy mẫu tín hiệu nhận (k=1,2,3,….,N) phát tín hiệu Các quy tắc định quy định sau: Quyết định [13] Trong đó: ε = E [|y(k)|2] lượng ước tính tín hiệu nhận được, ν chọn giá trị phương sai nhiễu σ2 Trong thực tế, phát lượng sử dụng giá trị xấp xỉ ε^ thay cho ε: (2.3) Với N số mẫu tín hiệu nhận được, theo quy luật N lớn giá trị ε^ hội tụ ε b Phát phổ dựa lọc thích nghi (Matched Filtering) c Phát phổ dựa đặc tính dừng tuần hoàn (Cyclostationary Feature Detection) Bộ phát dựa đặc tính dừng dựa vào bình phương biên độ liên kết phổ, với trình ngẫu nhiên X [11]: Trong SX hàm mật độ tương quan phổ, α tần số tuần hoàn f tần số phổ Trong trường hợp đặc biệt phát dựa đặc tính dừng, thay , SX ŜX: Quyết định 2.4.2 Cảm nhận phổ hợp tác (Cooperative spectrum sensing) 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương này, nghiên cứu đặc điểm cảm nhận phổ mạng vô tuyến thông minh, kỹ thuật cảm nhận phổ bao gồm cảm nhận phổ không hợp tác cảm nhận phổ hợp tác Trong cảm nhận phổ khơng hợp tác có loại cảm nhận phổ: phát phổ dựa lượng, phát phổ dựa lọc thích nghi, phát phổ dựa đặc tính dừng Ở chương tiếp theo, luận văn nghiên cứu thuật tốn cảm nhận phổ thích nghi dựa lý thuyết sở xây dựng chương 10 Với λ ngưỡng phát để định xem có tín hiệu người sử dụng hay khơng Phương trình viết lại sau: Với γ tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR), Qu hàm Marcum’s Q 3.3 PHÁT HIỆN PHỔ DỰA TRÊN ĐẶC TÍNH DỪNG TUẦN HỒN 3.3.1 Phát phổ dựa đặc tính dừng tuần hồn bậc Thơng thường, tín hiệu có đặc tính dừng tuần hồn phân tích dựa hàm tự tương quan miền tần số, nhiên luận văn khai thác tính trung bình tín hiệu người sử dụng để cải thiện hiệu cảm nhận phổ miền thời gian [16] Sơ đồ phát phổ dựa đặc tính dừng tuần hồn bậc một: Hình 3.3 Sơ đồ cảm nhận phổ dựa đặc tính dừng tuần hồn bậc Xác suất thơng báo sai phát phổ dựa đặc tính dừng nhiễu AWGN: 11 Xác suất phát lỗi phát phổ dựa đặc tính dừng nhiễu AWGN: với λ ngưỡng, 3.3.2 Phát phổ dựa đặc tính dừng tuần hồn bậc hai 3.4 CẢM NHẬN PHỔ THÍCH NGHI DỰA TRÊN SNR TRONG VƠ TUYẾN THÔNG MINH Để đạt hiệu cảm nhận phổ, tăng độ tin cậy việc phát PU tối thiểu hóa thời gian cảm nhận phổ, luận văn đưa thuật toán cảm nhận phổ thích nghi hai tầng dựa SNR, có phương pháp cảm nhận phổ thực hai tầng Trong tầng đầu tiên, tỉ số SNR kênh truyền ước tính trước Vì vậy, tầng thứ hai, SU thực phát phổ dựa lượng phát phổ dựa đặc tính dừng bậc dựa tỉ số SNR ước tính tầng thứ Phương pháp đạt đến độ tin cậy phát phổ phát phổ dựa đặc tính dừng bậc với thời gian cảm nhận phổ trung bình thấp [12] Hình 3.4 Kỹ thuật cảm nhận phổ thích nghi hai tầng dựa tỉ số SNR SU ước tính tỉ số SNR kênh trước cở sở SNR 12 tính SU chọn lựa hai kỹ thuật cảm nhận phổ, phát phổ dựa lượng phát phổ dựa đặc tính dừng tuần hồn bậc một, có hai giá trị ngưỡng λ1 λ2 Như giới thiệu phần trước, phát phổ dựa lượng thực tin cậy tỉ số SNR thấp Do đó, ta xác định giá trị ngưỡng λ SNR, tỉ số SNR tín hiệu nhận lớn λ phát phổ dựa lượng thực hiện, giá trị ngưỡng kỹ thuật phát phổ dựa lượng khả phát kênh cách xác, SU lựa chọn kỹ thuật phát phổ dựa đặc tính dừng tuần hồn bậc để cảm nhận phổ kênh 3.5 KẾT LUẬN Trong chương này, luận văn đưa lý thuyết thuật toán để thực hai phát phổ quan trọng vô tuyến thông minh phát phổ dựa lương phát phổ dựa đặc tính dừng tuần hoàn Từ tảng hai phát phổ này, luận văn đưa thuật tốn cảm nhận phổ thích nghi dựa tỉ số SNR vô tuyến thông minh Phương pháp thực theo hai tầng Trong tầng đầu tiên, tỉ số SNR kênh truyền ước tính trước Trong tầng thứ hai, người sử dụng vơ tuyến thông minh thực phát phổ dựa lượng phát phổ dựa đặc tính dừng bậc dựa tỉ số SNR ước tính tầng thứ Phương pháp đạt đến mục đích lớn cảm nhận phổ độ xác phát phổ cao thời gian cảm nhận phổ trung bình nhỏ Ở chương tiếp theo, luận văn tiến hành mô kỹ thuật cảm nhận phổ thích nghi dựa tỉ số SNR đề cập chương 13 CHƯƠNG MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP CẢM NHẬN PHỔ THÍCH NGHI DỰA TRÊN SNR TRONG VƠ TUYẾN THƠNG MINH 4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Trong chương 3, luận văn đưa phần lý thuyết phương pháp cảm nhận phổ thích nghi dựa ước tính SNR để thực phát phổ mạng vô tuyến thơng minh theo hai thuật tốn cảm nhận phổ dựa lượng phát phổ dựa đặc tính dừng tuần hồn bậc Vì vậy, chương tiến hành mô kỹ thuật để rút kết luận, đề xuất 4.2 SƠ ĐỒ TỔ CHỨC CƠNG VIỆC Tính tốn giá trị ngưỡng λ phù hợp Ước tính SNR tín hiệu Thực mô phương pháp phát phổ dựa lượng Thực mô phương pháp phát phổ dựa đặc tính dừng tuần hồn bậc Thực chương trình mơ phương pháp cảm nhận phổ thích nghi dựa SNR Hình 4.1 Sơ đồ tổ chức công việc 14 4.3 LƯU ĐỒ THUẬT TỐN CẢM NHẬN PHỔ THÍCH NGHI DỰA TRÊN SNR TRONG VÔ TUYẾN THÔNG MINH 4.3.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình 15 4.3.2 Lưu đồ thuật tốn phát phổ dựa lượng 16 4.3.3 Lưu đồ thuật tốn phát phổ dựa đặc tính dừng tuần hồn bậc Hình 4.4 Lưu đồ thuật tốn phát phổ dựa đặc tính dừng tuần hồn 17 4.4 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 4.4.1 Chọn giá trị ngưỡng λ Sau kết mô mối quan hệ tỉ số SNR xác suất phát phổ Pd phát phổ dựa lượng với giá trị xác suất thông báo sai Pf cho trước 0.01: Hình 4.5 Mối quan hệ SNR Pd phát phổ dựa lượng Nhận xét: Dựa vào kết mô phỏng, ta thấy với giá trị SNR lớn xác suất phát phổ dựa lượng tăng Với giá trị SNR nhỏ -13dB phát phổ dựa lượng tỏ không hiệu với xác suất phát phổ Pd đat 0.5 18 Tuy nhiên, tỉ số SNR đạt đến giá trị lớn -10dB xác suất phát phổ tăng lên đáng kể đạt 0.9 Như với giá trị SNR lớn -10dB phát phổ hoạt động hiệu Do đó, giá trị ngưỡng λ phù hợp chọn -10dB, tỉ số SNR tín hiệu ước tính lớn ngưỡng λ 10dB phát phổ dựa lượng thực phát phổ, ngược lại nhỏ giá trị ngưỡng phát phổ dựa đặc tính dừng tuần hồn thực phát phổ 4.4.2 Ước tính tỉ số tín hiệu nhiễu Thực ước tính tỉ số SNR tín hiệu nhận để so sánh với giá trị ngưỡng -10dB tính tốn 4.4.1 Kết mô cho hai giá trị tỉ số tín hiệu nhiễu tương ứng với hai trường hợp phát phổ sau: · Trường hợp 1: Tỉ số tín hiệu nhiễu ước tính lớn giá trị ngưỡng, phát phổ dựa lượng thực cảm nhận phổ người dùng · Trường hợp 2: Tỉ số tín hiệu nhiễu ước tính nhỏ giá trị ngưỡng, phát phổ dựa đặc tính dừng tuần hồn bậc thực cảm nhận phổ người dùng Nhận xét: