NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức để cực tiểu xác suất lỗi của hệ thống; đề xuất một số giải pháp để cảm biến phổ tần nhanh và chính xác
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Đặt vấn đề
Trong thông tin vô tuyến, phổ tần là nguồn tài nguyên vô giá Trong các dịch vụ vô tuyến, băng tần cụ thể được cấp phát cho các người dùng có giấy phép để ngăn chặn các người dùng không giấy phép truy cập và ăn cắp thông tin Do sự phát triển mạnh mẽ của các dịch vụ vô tuyến trong những năm gần đây nên nhu cầu về phổ tần ngày càng trở nên lớn hơn và điều này đã dẫn đến vấn đề khan hiếm phổ tần Nhưng hiện tại các dãy phổ tần vô tuyến đang được sử dụng chưa hiệu quả Hầu hết các nơi trên thế giới, băng tần dành cho điện thoại di động đã sử dụng gần hết trong khi băng tần dùng cho các dịch vụ khác như truyền hình, quân sự, dân sự, radar chỉ mới được sử dụng một phần Khảo sát của Ủy ban truyền thông liên bang Mỹ (FCC) đã kết luận rằng hiệu quả sử dụng phổ tần chưa cao [1]
Hình 1.1: Các tần số vô tuyến đang được dùng ở Mỹ
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 2 Để giảm tình trạng khan hiếm phổ tần và vấn đề xung đột, công nghệ vô tuyến nhận thức đã ra đời Với công nghệ vô tuyến nhận thức, các thiết bị vô tuyến nhận thức được sử dụng để cảm biến, nhận diện và sử dụng phổ tần vô tuyến hiệu quả hơn nữa theo thời gian, không gian và tần số
Trong mạng vô tuyến nhận thức, cảm biến phổ tần là một chức năng quan trọng Nhiệm vụ của cảm biến phổ tần là phát hiện nhanh và chính xác các phổ tần chưa được sử dụng mà không gây ảnh hưởng tới các người dùng có giấy phép Một số kỹ thuật cảm biến phổ tần cổ điển như Energy Detection, Matched Filter Detection và Cyclostationary Detection …
Tuy nhiên, hiệu suất phát hiện phổ tần trong thực tế không cao do ảnh hưởng của fading đa đường, che chắn và các vấn đề của bộ thu Cảm biến phổ tần hợp tác được xem là phương pháp hiệu quả để giảm thiểu tác động của các yếu tố kể trên và nâng cao hiệu suất phát hiện phổ tần Với cảm biến phổ tần hợp tác, các người dùng trong mạng sẽ chia sẻ kết quả cảm biến phổ tần cho nhau để đưa ra một quyết định kết hợp chính xác hơn quyết định của một người dùng
Một trong những thử thách lớn của quá trình cảm biến phổ tần hợp tác là vấn đề người dùng có giấy phép hoạt động ngoài phạm vi của mạng vô tuyến nhận thức dẫn đến kết quả cảm biến bị sai [12] Vấn đề này được giải quyết bằng cách tăng số lượng người dùng trong mạng và sử dụng cảm biến hợp tác tiếp sức - hỗ trợ một cách đồng thời Khi số lượng người dùng trong mạng tăng, hiệu suất cảm biến phổ tần sẽ được cải thiện rất nhiều nhưng cũng dẫn đến thời gian xử lý để ra quyết định sẽ lâu hơn Do đó, số lượng người dùng trong mạng vô tuyến nhận thức gửi quyết định cảm biến cục bộ tới bộ thu chung bao nhiêu là tối ưu để kết quả cảm biến tổng hợp nhanh và chính xác mà không phải yêu cầu tất cả các người dùng phải gửi kết quả cảm biến
Vấn đề này sẽ được trình bày trong luận văn Đồng thời, các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng có thể tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác để cực tiểu tỷ lệ lỗi của hệ thống bằng cách tối ưu quy tắc biểu quyết
Mỗi người dùng trong mạng vô tuyến nhận thức sẽ sử dụng kỹ thuật phát hiện năng lượng để đưa ra quyết định có sự hiện diện của người dùng có giấy phép hay không
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 3 từ tín hiệu nhận được Các quyết định này sẽ được gửi tới trung tâm tổng hợp dữ liệu sau đó sử dụng quy tắc “n-out-of-K” (với K là số người dùng trong mạng vô tuyến nhận thức; n là số quyết định cục bộ có sự hiện diện của người dùng chính trong mạng và 1≤ n ≤ K) để bộ thu ra quyết định cuối cùng về sự hiện diện của người dùng có giấy phép Luận văn sẽ trình bày cách tính toán để tìm ra giá trị n tối ưu
Ngoài ra còn một phương pháp khác là tối ưu ngưỡng phát hiện năng lượng
Vậy trong các phương pháp đã trình bày ở trên phương pháp nào sẽ mang lại hiệu quả cảm biến phổ tần tốt hơn và tỷ lệ lỗi của hệ thống nhỏ nhất? Trong luận văn này, chúng ta sẽ xem xét và đối chiếu ba phương pháp tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác đã nêu ở trên.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
+ Kênh truyền vô tuyến + Các kỹ thuật cảm biến phổ tần + Cảm biến phổ tần hợp tác + Các phương pháp tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác để cực tiểu xác suất lỗi của hệ thống: tối ưu quy tắc biểu quyết, tối ưu ngưỡng phát hiện năng lượng và tối ưu số lượng người dùng gửi quyết định cảm biến cục bộ tới bộ thu chung
+ Mô phỏng bằng phần mềm Matlab So sánh các phương pháp tối ưu.
Mục đích nghiên cứu
Luận văn sẽ tập trung trình bày và so sánh đối chiếu các phương pháp tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác như tối ưu quy tắc biểu quyết, tối ưu ngưỡng phát hiện năng lượng và số lượng người dùng trong mạng để xác suất lỗi của hệ thống đạt cực tiểu Đồng thời, luận văn cũng đề xuất các giải pháp để cảm biến phổ tần nhanh, chính xác trong kênh truyền AWGN và Rayleigh fading; so sánh ưu, khuyết điểm của các kỹ thuật cảm biến phổ tần.
Đóng góp của đề tài
Đóng góp chính của đề tài là so sánh đánh giá hiệu suất của ba phương pháp tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác là tối ưu ngưỡng phát hiện năng lượng, tối ưu qui tắc
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 4 biểu quyết và tối ưu số lượng người dùng trong mạng vô tuyến nhận thức Kết quả đạt được cho thấy khi áp dụng các phương pháp tối ưu này thì quá trình cảm biến phổ tần sẽ nhanh, chính xác và có xác suất lỗi hệ thống thấp.
Cấu trúc của luận văn
Luận văn được tổ chức như sau:
Chương 2 : Giới thiệu các cơ sở lý thuyết, tổng quát về mạng vô tuyến nhận thức, cảm biến phổ tần So sánh ưu, khuyết điểm ba phương pháp cảm biến phổ tần ED, MF và CFD
Chương 3 : Giới thiệu cụ thể về cảm biến phổ tần hợp tác và các qui tắc ra quyết định tổng hợp
Chương 4 : Trình bày ba phương pháp tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác để cực tiểu xác suất lỗi của hệ thống
Chương 5 : Đánh giá các kết quả thu được từ quá trình mô phỏng bằng Matlab Đề xuất một số giải pháp cảm biến phổ tần nhanh trong kênh truyền AWGN và Rayleigh fading khi có nhiều người dùng trong mạng vô tuyến nhận thức
Chương 6 : Trình bày phần kết luận và hướng phát triển của đề tài
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 5
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC
Các cơ sở lý thuyết
2.1.1 Fading tầm rộng và fading tầm hẹp:
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến
Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai loại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading)
Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng Hiện tượng này chịu ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát và máy thu Phía thu bị che khuất bởi các vật cản cao Các thống kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách
Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu Điều này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng) giữa phía phát và phía thu Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian (time- spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh truyền Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 6
Hình 2.1 : Các loại fading tầm hẹp
2.1.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền:
Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường ít khi được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ các hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation) Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau Hiện tương này gọi là sự phân
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 7 tán đáp ứng xung (impulse dispersion) Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng
Hình 2.2: Hiện tượng truyền sóng đa đường
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu như trình bày ở hình 2.3 Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler
Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn, khi đó tần số Doppler của tuyến này là:
Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng Nếu αn = 0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là:
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 8
2.1.2.3 Suy hao trên đường truyền:
Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khắc phục bằng các phương pháp điều khiển công suất
Công thức tính suy hao đường truyền L0 tại vị trí tham khảo d0:
(2.3) với λ là bước sóng, G t và G r là độ lợi của anten phát và anten thu
2.1.2.4 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing):
Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm
Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 9
+ Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số
+ Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian
2.1.3.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số:
Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó đáp ứng tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 2.4a là f0
Hình 2.4a: Kênh truyền chọn lọc tần số (f 0 W)
Ngược lại, trên hình 2.4b, kênh truyền có f0 lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suy
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 10 giảm và dịch pha gần như nhau Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là kênh truyền không chọn lọc tần số hoặc kênh truyền fading phẳng
2.1.3.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian:
Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian vì các vật chất trên đường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những vật thể mới xuất hiện và những vật thể cũ mất đi… Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền phản xạ, tán xạ … qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay đổi theo thời gian
Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số gọi là thời gian đồng bộ (coherent time) Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay đổi rất ít (có thể xem là phẳng về thời gian)
Khái niệm về vô tuyến nhận thức
Hệ thống vô tuyến nhận thức là hệ thống mà các phần tử của nó có khả năng thay đổi tham số (công suất, tần số) trên cơ sở tương tác với môi trường hoạt động
Theo đó, thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDR (Software Defined Radio) sẽ là phần tử quan trọng trong hệ thống vô tuyến nhận thức Vì các tham số của thiết bị SDR được thay đổi một cách linh động bằng phần mềm mà không cần phải thay đổi cấu trúc phần cứng Mục đích của vô tuyến nhận thức là cho phép các thiết bị vô tuyến khác hoạt động trên các dải tần còn trống tạm thời mà không gây nhiễu đến các hệ thống vô tuyến có quyền ưu tiên cao hơn hoạt động trên dải tần đó
Hình 2.8: Khái niệm phổ tần trống hình thành nên ý tưởng về vô tuyến nhận thức Để cho phép tận dụng tối đa tài nguyên phổ tần như trên, vô tuyến nhận thức phải có các tính năng cơ bản sau :
Điều chỉnh tần số hoạt động của hệ thống một cách tức thời từ băng tần này sang băng tần khác trên dải tần cho phép như hình 2.8
Thiết lập mạng thông tin và hoạt động trên một phần hoặc toàn bộ băng tần được cấp phép
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 16
Chia sẻ kênh tần số và điều khiển công suất thích ứng theo điều kiện cụ thể của môi trường vô tuyến mà ở đó tồn tại nhiều loại hình dịch vụ vô tuyến cùng chiếm dụng
Thực hiện thích ứng độ rộng băng tần, tốc độ truyền và các sơ độ mã hoá sửa lỗi để cho phép đạt được tốc độ tốt nhất có thể
Tạo búp sóng và điều khiển búp sóng thích ứng theo đối tượng truyền thông nhằm giảm thiểu nhiễu đồng kênh và tối đa cường độ tín hiệu thu
Các lợi ích của mạng vô tuyến nhận thức :
Hiệu suất sử dụng phổ tần tốt hơn
Cung cấp các dịch vụ có băng thông lớn hơn
Cải thiện chất lượng dịch vụ như độ trễ, tốc độ gói v.v
Về thương mại: thúc đẩy sự tự do hoá phổ tần làm cho việc mua bán phổ tần giữa các người dùng dễ dàng hơn nhiều.
Mô hình mạng vô tuyến nhận thức
+ Người dùng có giấy phép (Primary User) hay còn gọi là người dùng được cấp phép để hoạt động trên 1 băng tần nhất định
+ Trạm gốc chính (Primary Base Station) hay còn gọi là trạm gốc được cấp phép Trạm gốc chính là thành phần cơ sở hạ tầng mạng được cố định, có giấy phép phổ như BTS trong mạng thông tin di động
Mạng vô tuyến nhận thức:
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 17
Mạng vô tuyến nhận thức (hay còn gọi là mạng xG, mạng truy cập phổ tần động, mạng thứ cấp) không có giấy phép để hoạt động trong 1 băng tần mong muốn
Do đó, nó chỉ được phép truy cập 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 như sau:
Hình 2.9: Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức
+ Người dùng vô tuyến nhận thức: (hay người dùng xG, người dùng không được cấp phép) không có giấy phép sử dụng phổ Do đó cần có các chức năng cộng thêm để chia sẻ băng tần cấp phép
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 18
+ Trạm gốc vô tuyến nhận thức (hay còn gọi trạm gốc xG, trạm gốc không cấp phép) 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 nhận thức mà không cần giấy phép truy cập phổ Thông qua kết nối này, người dùng vô tuyến nhận thức có thể truy cập đến mạng khác
+ Bộ phân chia phổ (Spectrum broker) là một thực thể mạng trung tâm đóng vai trò trong việc chia sẻ các tài nguyên phổ tần giữa các mạng vô tuyến nhận thức khác nhau Bộ phân chia phổ có thể kết nối với từng mạng và có thể phục vụ với tư cách là người quản lý thông tin phổ nhằm cho phép các mạng vô tuyến nhận thức cùng tồn tại
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 cấp phép và không cấp phép Do đó, trong mạng vô tuyến nhận thức có ba loại khác nhau đó là :
- Truy nhập mạng vô tuyến nhận thức (xG network access) : người dùng vô tuyến nhận thức có thể truy cập tới 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 nhập tới trạm gốc chính thông qua băng cấp phép.
Hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 19 a/ Trên băng tần cấp phép :
Như hình 2.8, ta thấy có những hố phổ không sử dụng trong phổ tần cấp phép
Do đó, các mạng vô tuyến nhận thức có thể được sử dụng để khai thác các hố phổ này thông qua công nghệ nhận thức Lúc đó, mạng vô tuyến nhận thức cùng tồn tại với các mạng chính tại cùng một vị trí và trên cùng phổ tần Mặc dù, mục đích chính của mạng vô tuyến nhận thức là xác định các phổ tần còn trống tốt nhất nhưng mạng vô tuyến nhận thức còn có chức năng phát hiện các người dùng có giấy phép Dung lượng kênh của các hố phổ phụ thuộc vào nhiễu xung quanh của người dùng có giấy phép Do đó, việc tránh nhiễu cho các người dùng có giấy phép là vấn đề quan trọng
Hơn nữa, nếu người dùng có giấy phép xuất hiện trong phổ tần bị người dùng vô tuyến nhận thức chiếm thì người dùng vô tuyến nhận thức ngay lập tức phải bỏ phổ tần hiện tại và chuyển tới phổ tần mới có sẵn khác đó gọi là chuyển giao phổ tần b/ Trên băng tần không cấp phép :
Các mạng vô tuyến nhận thức có thể được thiết kế để hoạt động trên các băng tần không cấp phép để cải thiện hiệu quả sử dụng phổ Tất cả các thuê bao trong mạng vô tuyến nhận thức có quyền như nhau khi truy cập phổ tần Các thuật toán chia sẻ phổ tần thông minh có thể cải thiện hiệu quả sử dụng phổ và hỗ trợ QoS
Trong kiến trúc này, người dùng vô tuyến nhận thức tập trung phát hiện việc truyền thông tin của các người dùng vô tuyến nhận thức khác Khác với hoạt động trên băng tần cấp phép, việc chuyển giao phổ không bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của các người dùng có giấy phép Tuy nhiên vì tất cả các người dùng vô tuyến nhận thức có quyền truy cập phổ như nhau nên họ phải cạnh tranh với nhau trên cùng băng tần không cấp phép Do đó, kiến trúc này đòi hỏi các phương pháp chia sẻ phổ tần phức tạp giữa các người dùng Nếu có nhiều mạng vô tuyến nhận thức nằm trong cùng một băng tần không cấp phép thì phải có phương pháp chia sẻ phổ tần thích hợp giữa các mạng này
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 20
Các bước chia sẻ phổ tần trong mạng vô tuyến nhận thức
Để có cái nhìn tổng quát việc chia sẻ phổ tần trong mạng vô tuyến nhận thức chúng ta sẽ xem xét các bước để có được sự chia sẻ phổ tần Quá trình chia sẻ phổ tần gồm năm bước chính:
Cảm biến phổ tần: Môt người sử dụng mạng vô tuyến nhận thức chỉ có thể chia sẻ một phần phổ tần nếu phần phổ tần đó không được sử dụng bởi người sử dụng có giấy phép Khi một nút trong mạng vô tuyến nhận thức quyết định truyền trên phổ tần nào trước tiên nó phải nhận thức được sự còn trống của phổ tần đó
Phân bổ phổ tần: Dựa trên các thông tin về phổ tần đã thu được từ bước một, các nút mạng sau đó có thể phân bổ cho một kênh Việc phân bổ này không chỉ phụ thuộc vào khả năng của phổ tần mà còn dựa vào các chính sách nội mạng cũng như ngoại mạng
Truy cập phổ tần: Sau khi có được sự phân bổ phổ tần, các người dùng không có giấy phép tiến hành truy cập để sử dụng phổ tần Việc truy cập phổ tần cần đảm bảo tránh sự chồng chéo và đụng độ giữa các người dùng.
Bắt tay giữa các thiết bị Thu-Phát: Khi phổ tần được xác định để truyền thông, bên nhận trong quá trình truyền được biết về phổ tần được chọn Do đó, một giao thức bắt tay thu - phát rất cần thiết cho thông tin trong mạng vô tuyến nhận thức Bắt tay giữa các thiết bị góp phần đảm bảo tốc độ truyền dẫn Việc bắt tay giữa các thiết bị thu-phát nhằm làm tăng hiệu quả sử dụng của mạng vô tuyến nhận thức
Sử dụng phổ tần linh hoạt: Khi mà người sử dụng được cấp phép sử dụng lại phổ tần thì các nút mạng vô tuyến nhận thức phải chuyển sang sử dụng phổ tần mới mà vẫn đảm bảo QoS “Sử dụng phổ tần linh hoạt” góp phần đảm bảo quá trình truyền dẫn không bị ngắt quãng.
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 21
Cảm biến phổ tần và các vấn đề, thách thức trong cảm biến phổ tần
2.6.1 Cảm biến phổ tần là gì?
- Cảm biến phổ tần là:
Cảm biến để tìm kiếm các phổ tần chưa sử dụng
Cảm biến các dải tần mà người dùng có giấy phép đang sử dụng và thoát khỏi dải tần này càng nhanh càng tốt khi có sự xuất hiện của người dùng có giấy phép mà không gây ra nhiễu cho nguời dùng có giấy phép
- Chất lượng của quá trình cảm biến được đánh giá dựa trên 3 tiêu chí:
Xác suất phát hiện các phổ tần trống (P d ) : càng lớn càng tốt
Xác suất cảnh báo sai (P f ): càng nhỏ càng tốt
Xác suất phát hiện thiếu (P m ): cành nhỏ càng tốt
2.6.2 Các vấn đề và thách thức trong cảm biến phổ tần:
2.6.2.1 Kênh truyền không ổn định:
Trong các mạng truyền thông không dây, độ mạnh của tín hiệu thu được thường không ổn định mà dao động do ảnh hưởng của fading đa đường và shadowing Do tín hiệu nhận được của người dùng có giấy phép không ổn định nên đòi hỏi độ nhạy phát hiện ở bộ thu phải cao hơn
Hình 2.10: Sự tương nhượng giữa thời gian cảm biến phổ tần và tốc độ người dùng Dưới ảnh hưởng nghiêm trọng của fading, phần tử trong mạng vô tuyến nhận thức không thể đạt được độ nhạy cần thiết để cảm biến đưa ra quyết định cục bộ dẫn đến thời gian cảm biến sẽ lâu hơn yêu cầu Vấn đề này có thể được giải quyết bằng
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 22 cách một nhóm các phần tử trong mạng vô tuyến nhận thức chia sẻ kết quả cảm biến phổ tần của chúng cho nhau và đưa ra một quyết định chung về tình trạng chiếm giữ trên một băng tần cấp phép
2.6.2.2 Nhiễu không ổn định: Độ nhạy phát hiện được định nghĩa là tỷ lệ SNR thấp nhất mà tại đó tín hiệu của người dùng có giấy phép có thể được phát hiện một cách chính xác bởi các phần tử của mạng vô tuyến nhận thức (ví dụ với một xác suất là 0,99) và được tính bởi công thức: min P L D R P ( )
N (2.17) với N là nhiễu công suất; Pp là công suất phát của người dùng có giấy phép; D là phạm vi nhiễu của người dùng không giấy phép và R là khoảng cách tối đa giữa máy phát của người dùng có giấy phép với bộ thu tương ứng của nó
Công thức trên chỉ ra rằng để tính độ nhạy phát hiện cần thiết với công suất nhiễu biết trước (điều không phù hợp với thực tế) thì bộ thu cần phải ước lượng được Tuy nhiên, việc ước lượng công suất nhiễu bị hạn chế bởi sai số hiệu chuẩn cũng như những thay đổi của nhiễu nhiệt gây ra bởi sự thay đổi nhiệt độ
2.6.2.3 Giới hạn nhiễu cảm biến:
Mục đích chính của cảm biến phổ tần là xác định tình trạng của phổ tần chẳng hạn đang trống hoặc đang bị chiếm giữ Thách thức nằm ở việc đo đạc mức nhiễu tại bộ thu gây ra bởi việc truyền tín hiệu của các người dùng không có giấy phép Trước tiên, người dùng không có giấy phép có thể không biết chính xác vị trí của bộ thu cấp phép nên nó không thể tính toán chính xác mức nhiễu gây ra bởi việc truyền tín hiệu của nó Thứ hai, nếu bộ thu cấp phép là một thiết bị thụ động thì máy phát không nhận thức được máy thu Vì các yếu tố kể trên nên cần chú ý khi tính giới hạn nhiễu cảm biến
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 23
Các kỹ thuật cảm biến phổ tần
Hình 2.11: Các kỹ thuật cảm biến phổ tần phổ biến
Là kỹ thuật phát hiện tín hiệu của người dùng có giấy phép dựa vào việc cảm biến mức năng lượng Do nó đơn giản và không cần phải biết trước thông tin của tín hiệu người dùng có giấy phép nên đây là phương pháp cảm biến phổ biến nhất trong các phương pháp cảm biến phổ tần
Hình 2.12: Sơ đồ khối của phương pháp Energy Detector
Trong phương pháp này, tín hiệu ngõ vào sẽ đi vào bộ noise Pre-filter để giới hạn băng thông của nhiễu Tín hiệu nhiễu ngõ vào của bộ Squaring Device có băng tần giới hạn, mật độ phổ phẳng
TH1: H0 tương ứng với tần số còn trống, không có tín hiệu của người dùng có giấy phép Tín hiệu ngõ vào y (t) chỉ có nhiễu a/ y(t) = n(t) b/ E[n(t)] = 0 c/ Mật độ phổ của nhiễu = N02 ( 2 bên)
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 24 d/ Băng thông nhiễu = W chu kỳ/ giây
TH2: H1 tương ứng với tần số đã bị chiếm dụng, có tín hiệu của người dùng có giấy phép Tín hiệu ngõ vào y(t) là tín hiệu đã cộng với nhiễu a/ y(t) = n(t) + s(t) b/ E [n(t)+s(t)] = s(t) Tín hiệu nhận được r(t) có dạng sau: r(t)=h*s(t)+n(t) (2.18) với h = 0 tương ứng với H0 h = 1 tương ứng với H1 Bộ Noise Pre-filter là 1 bộ lọc thông dải lý tưởng có hàm truyền đạt như sau:
(2.19) để giới hạn công suất trung bình và phương sai chuẩn hoá của nhiễu Tín hiệu ngõ ra của bộ lọc này sau đó sẽ được bình phương rồi lấy tích phân trong khoảng thời gian T để đo mức năng lượng của tín hiệu thu được Tín hiệu ngõ ra Y của bộ tích chập sẽ được so sánh với 1 mức ngưỡng để xác định là H0 hay H1
Theo lý thuyết lấy mẫu, tín hiệu nhiễu được viết dưới dạng sau
có thể dễ dàng chứng minh n i N (0, N W 01 ) với mọi i
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 25
Trong khoảng thời gian (0,T), năng lượng của nhiễu n(t) có thể xấp xỉ bằng tổng hữu hạn của 2TW
Năng lượng của n(t) trong khoảng thời gian lấy mẫu T bằng
(2.24) với u=TW là time-bandwidth product
Chúng ta giả sử rằng T và W được chọn sau cho u có giá trị là số nguyên và
(2.25) với N01 là mật độ phổ công suất 1 bên của nhiễu
Y có thể được xem như tổng các bình phương của tín hiệu nhiễu Gaussian tiêu chuẩn có trị trung bình bằng 0 và phương sai đơn vị từ 1 tới 2u Ngoài ra, Y có thể được xem như hàm phân phối ki-bình phương ( 2 ) với 2u là bậc tự do
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 26 Áp dụng tương tự cho trường hợp có sự hiện diện của tín hiệu s(t) Lúc đó, ni sẽ được thay thế bằng ni+si với i 2 s s i
Y trường hợp này là hàm phân bố không tập trung có bậc tự do là 2u và thông số không tập trung 2λ
Y được mô tả dưới dạng sau :
Hàm mật độ xác suất của Y
(2.28) với Γ(.) là hàm gamma Xác suất phát hiện và cảnh báo sai được tính theo công thức sau:
(2.29) với λ là mức ngưỡng cuối cùng của bộ phát hiện cục bộ để quyết định có sự hiện diện của người dùng có giấy phép hay không Thế (2.28) vào (2.29) ta được:
là tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR
Qu là hàm tổng quát hoá Marcum λ là ngưỡng phát hiện năng lượng
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 27
Phương pháp energy detector (ED) không phải là giải pháp hoàn hảo do việc tính toán năng lượng thu được càng chính xác khi số lần lấy mẫu n càng lớn
Tóm lại, các bước xử lý của phương pháp ED như sau [2]:
Hình 2.13: Lưu đồ của kỹ thuật ED
Bước 1: ước lượng mật độ phổ công suất bằng cách sử dụng hàm periodogram trong matlab Pxx=periodogram(r)
Bước 2: Mật độ phổ công suất được tính trên phổ tần liên tục Tích phân của mật độ phổ công suất trên một dải tần số được tính bằng hàm Hpsd=Dspdata.psd(Pxx)
Bước 3: Ở mỗi tần số, ta lấy mẫu khoảng vài chục điểm Sau đó tính tổng của các điểm tại mỗi tần số
Bước 4: Trên cơ sở thực nghiệm, ta chọn ngưỡng quyết định λ
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 28
Bước 5: Cuối cùng, đầu ra của bộ tích chập Y được so sánh với ngưỡng λ để ra quyết định có sự hiện diện của người dùng có giấy phép hay không
2.7.2 Matched Filter Detection: Ưu điểm: Tốn ít thời gian để phát hiện sự hiện diện của người dùng có giấy phép do nó chỉ đòi hỏi số mẫu nhỏ Khi thông tin về tín hiệu của người dùng có giấy phép được biết bởi các thuê bao vô tuyến nhận thức, phương pháp này tối ưu trong môi trường nhiễu Gaussian dừng
Nhược điểm: Cần biết trước thông tin về tín hiệu của tất cả các người dùng có giấy phép Nếu thông tin không chính xác, phương pháp có hiệu quả không cao Và nhược điểm quan trọng nhất của phương pháp này là mạng vô tuyến nhận thức cần phải có bộ thu riêng cho tất cả các người dùng có giấy phép Để tăng tỷ số SNR, một bộ lọc phù hợp thường được đặt phía trước bộ thu Bộ lọc phù hợp (Matched Filter – MF) là 1 bộ lọc tuyến tính được thiết kế để tối đa hoá tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở ngõ ra Khi người dùng không có giấy phép có sự hiểu biết trước về tín hiệu của người dùng có giấy phép thì phương pháp này sẽ được áp dụng
Hình 2.14: Mô hình của bộ lọc phù hợp
Giả thiết H1 và H0 tượng trưng cho sự hiện diện và vắng mặt của tín hiệu người dùng có giấy phép trong kênh truyền được xem xét
Trong đó, N(t) là nhiễu AWGN với trị trung bình bằng 0, hiệp phương sai
với 2 là mật độ công suất của nhiễu AWGN
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 29
Giả sử hàm trực giao cơ bản trong không gian tín hiệu là i ( ), t i I và thành phần đầu tiên của hàm trực giao cơ bản chúng ta chọn:
Nếu chúng ta sử dụng lý thuyết Karhunen- Loeve cho hàm trực giao cơ bản thì nhiễu AWGN N(t) được phân tích thành
Tương tự như vậy tín hiệu thu được Y(t)
Trong miền không gian tín hiệu, giải quyết bài toán phát hiện được giảm xuống thành giải quyết bài toán 1 chiều
Sử dụng thống kê Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT) vào giả thuyết nhị phân ta được:
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 30
Với biểu thị cho mức ngưỡng Lấy logarith và sắp xếp lại ta được:
Do đó, bộ lọc tối ưu có thể biểu diễn theo thống kê đầy đủ S Thống kê đầy đủ đối với một mô hình là những thống kê chứa đựng mọi thông tin có thể có được từ dữ liệu về các tham số của mô hình Nghĩa là nếu bỏ hết dữ liệu đi, chỉ cần giữ lại các thống kê đầy đủ, vẫn không bị mất thông tin gì về mô hình
Theo giả thuyết nhị phân
Bảng 2.1: Bốn loại quyết định có thể xảy ra
Có tín hiệu Phát hiện Không phát hiện
Không có tín hiệu Cảnh báo sai Từ chối Xác suất phát hiện Pd và xác suất cảnh báo sai Pf được tính theo công thức sau:
(2.40) với r là khoảng cách giữa Y 1 trong 2 trường hợp H 0 và H 1
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 31
Bằng cách sử dụng thử nghiệm Neyman-Pearson (NP) và loại bỏ ngưỡng τ từ công thức trên chúng ta được
(2.41) Lúc đó , thống kê đầy đủ S có thể viết lại như sau
Mật độ phổ công suất của nhiễu AWGN:
(2.43) với N 0 là nhiễu của tín hiệu
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu đo tại ngõ ra của bộ lọc phù hợp được tính theo công thức:
Công suất nhiễu ngõ ra Pn của người dùng có giấy phép thứ n được tính theo công thức:
Công suất tín hiệu tại ngõ ra Ps của người dùng có giấy phép thứ n tính theo công thức sau:
(2.46) Sử dụng bất đẳng thức Schwartz ta được:
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 32
Bây giờ tỷ số SNR của người dùng có giấy phép được đơn giản hoá thành
Biểu thức trên tượng trưng cho tín hiệu của người dùng có giấy phép trong môi trường nhiễu
Tóm lại, các bước xử lý của phương pháp MF như sau [2]:
Hình 2.15: Lưu đồ của kỹ thuật MF
Kỹ thuật này có hiệu suất tốt hơn kỹ thuật phát hiện năng lượng ED nhờ khả năng loại bỏ nhiễu Khi chúng ta biết thông tin về tín hiệu của người dùng chính thì
Truy cập phổ tần động trong mạng vô tuyến nhận thức
Để có thể tận dụng các hố phổ còn trống, một phương pháp quan trọng được áp dụng trong mạng vô tuyến nhận thức đó là phương pháp truy cập phổ tần động
Phương pháp này cho phép các thiết bị vô tuyến nhận thức thực hiện thông tin một
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 36 cách thông minh theo độ khả dụng của phổ tần Việc chia sẻ phổ tần giữa các hệ thống vô tuyến khác nhau thực chất là việc chia sẻ sử dụng các dải tần số giữa các mạng truy nhập vô tuyến khác nhau mà thôi Vì trong các hệ thống, tài nguyên vô tuyến chủ yếu được các mạng truy nhập sử dụng để truyền dẫn tín hiệu từ mạng tới người dùng Cơ chế hoạt động của phân bổ tần số động giữa các mạng truy nhập như sau: Sử dụng các khoảng tần số liền kề để cấp phát cho các mạng truy nhập vô tuyến khác nhau Các khoảng tần số cố định cho mỗi hệ thống được phân cách bằng một băng tần bào vệ, việc làm này cũng giống với cơ chế phân bổ tần số cố định hiện nay
Tuy nhiên, ở cơ chế phân bổ tài nguyên này bề rộng phổ gán cho mỗi một mạng truy nhập vô tuyến được thay đổi tuỳ theo yêu cầu phổ tần của từng mạng theo thời gian và không gian như hình dười đây
Hình 2.20: a/ Phân bổ tài nguyên vô tuyến cố định b/ Phân bồ tài nguyên vô tuyến động
+ Ưu điểm: việc quản lý và phân bổ tài nguyên phổ tần đơn giản, kiểm soát được nhiễu từ các mạng truy nhập vô tuyến khác chỉ cần dùng một băng tần bảo vệ
Hơn thế nữa, cơ chế này tối thiểu hoá việc hợp tác quản lý giữa hai mạng truy nhập bởi vì chúng ta chỉ cần xác định được vị trí của dãi tần bảo vệ giữa hai băng tần ấn định liền kề
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 37
+ Nhược điểm: nếu muốn tăng băng tần cho một mạng truy nhập vô tuyến thì băng tần của mạng truy nhập vô tuyến lân cận sẽ bị cắt giảm Do đó, nếu một mạng truy nhập vô tuyến có nhu cầu tăng lượng băng tần cấp phép sẽ không được đáp ứng nếu như mạng truy nhập vô tuyến bên cạnh không thể cắt giảm băng tần được
Mặc dù còn tồn tại nhược điểm như trên nhưng phương pháp phân bổ tài nguyên này vẫn có ý nghĩa trong việc tận dụng các băng tần trống của các hệ thống mạng truy nhập khách dựa trên qui luật dịch vụ mà không phải sử dụng các thuật toán điều khiển quá phức tạp
Hiện nay, phương pháp phân bổ tài nguyên vô tuyến động đang được tập trung nghiên cứu trong các mạng truy nhập vô tuyến là mạng di động 3G (UMTS) và hệ thống truyền hình quảng bá số mặt đất DVB-T Lựa chọn hai loại mạng truy nhập này để đưa vào nghiên cứu vì hai mạng truy nhập này có cơ chế cung cấp dịch vụ hoàn toàn khác nhau Một bên là cung cấp dịch vụ theo yêu cầu của khách hàng (mạng di động) trong khi mạng truyền hình quảng bá số mặt đất thì phát quảng bá tín hiệu đến các khu vực khác nhau Đối với các mạng di động thì nhu cầu về băng tần chủ yếu tập trung vào giờ làm việc trong khi đó các dịch vụ truyền hình lại chủ yếu tập trung ngoài giờ làm việc Đặc điểm khác biệt về qui luật dịch vụ này làm cho vai trò của mạng 3G-UMTS và mạng truyền hình quảng bá vô tuyến số mặt đất DVB-T có chung bề rộng sóng mang (với 3G-UMTS là 5MHz còn DVB-T là 8MHz)
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 38
CẢM BIẾN PHỔ TẦN HỢP TÁC
Cảm biến phổ tần hợp tác
Fading đa đường, shaddowing là yếu tố quan trọng làm cho cảm biến phổ tần không chính xác và các yếu tố này không thể bỏ qua Không thể cải thiện tỷ số SNR bằng cách tăng công suất phát hay tăng băng thông do điều này đi ngược lại với yêu cầu dành cho các thế hệ mạng tiếp theo Trước khi truyền bất kỳ tín hiệu nào, mạng vô tuyến nhận thức phải ước lượng mật độ phổ công suất của phổ tần vô tuyến để kiểm tra các dải tần đang được sử dụng và còn trống Trong trường hợp giữa người dùng có giấy phép và các người dùng vô tuyến nhận thức có vật che chắn nên các người dùng vô tuyến nhận thức không phát hiện được sự hiện diện của người dùng có giấy phép Vấn đề này phải được khắc phục để đảm bảo người dùng có giấy phép không bị nhiễu
Giải pháp cho vấn đề này là kỹ thuật cảm biến phổ tần hợp tác Kỹ thuật cảm biến phổ tần hợp tác là kỹ thuật mà các phần tử trong mạng vô tuyến nhận thức sẽ chia sẻ kết quả cảm biến phổ tần cho nhau để đưa ra một quyết định chung chính xác hơn quyết định cùa một cá nhân Qua đó cải thiện được xác suất phát hiện và cảnh báo sai của mạng vô tuyến nhận thức trong các trường hợp kể trên
Hoạt động của kỹ thuật này được thực hiện như sau:
Các phần tử của mạng vô tuyến nhận thức sẽ tính toán đưa ra quyết định cục bộ về sự hiện diện của người dùng có giấy phép
Tất cả các phần tử trong mạng sẽ gửi quyết định cục bộ của mình cho một bộ thu chung thông qua các kênh báo cáo
Bộ thu chung sẽ sử dụng qui tắc quyết định cứng hoặc mềm để đưa ra quyết định tổng hợp về sự hiện diện hay vắng mặt của người dùng có giấy phép
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 39
Hình 3.1: Cảm biến phổ tần hợp tác
Hình 3.1 thể hiện thuê bao CR1, CR2 nằm trong tầm phát của bộ phát thuê bao có giấy phép PU trong khi CR3 nằm ngoài tầm nên CR3 không nhận biết được sự hiện diện của PU Do bị che chắn bởi toà nhà nên thuê bao CR2 chỉ thu được các bản sao của tín hiệu PU do đó nó không thể ra quyết định chính xác về sự hiện diện của PU CR1 thu được tín hiệu của PU tốt nhất nên đưa ra quyết định chính xác về sự hiện diện của PU Nhờ sử dụng kỹ thuật cảm biến phổ tần hợp tác mà các thuê bao hợp tác và chia sẻ kết quả cảm biến cho nhau để ra quyết định tổng hợp nên đều nhận thức được sự hiện diện của PU Rx, nếu không sử dụng kỹ thuật này thì CR3 và CR2 có thể không cảm biến được sự hiện diện và gây nhiễu cho PU Rx
Do ảnh hưởng của fading đa đường và shaddowing, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR của tín hiệu thu PU có thể cực nhỏ nên việc phát hiện trở nên khó khăn Điều này dẫn đến phải tăng độ nhạy của bộ thu, việc làm này sẽ làm tăng chi phí phần cứng và độ phức tạp May mắn thay yêu cầu về độ nhạy và giới hạn về phần cứng có thể được xử lý bởi cảm biến hợp tác
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 40
Hình 3.2: Cải thiện độ nhạy bằng cảm biến hợp tác
Như thể hiện trong hình 3.2, cảm biến hợp tác cải thiện độ nhạy bằng cách thiết lập ngưỡng hợp tác tương đương với suy hao do fading đa đường và shaddowing gây ra hay còn gọi là độ lợi hợp tác Tuy nhiên, độ lợi hợp tác không chỉ giới hạn trong việc cải thiện hiệu suất phát hiện và độ nhạy yêu cầu Chẳng hạn, nếu thời gian hợp tác giảm do cảm biến hợp tác thì các thuê bao trong mạng vô tuyến sẽ có nhiều thời gian để truyền dữ liệu qua đó cải thiện được tốc độ truy cập của họ
Trong trường hợp này, cải thiện tốc độ cũng là một phần của độ lợi hợp tác
Tóm lại, mặt thuận lợi và khó khăn của cảm biến phổ tần hợp tác là:
Vấn đề “thiết bị đầu cuối ẩn” được giải quyết đáng kể
Giảm xác suất cảnh báo sai
Tăng xác suất nhận biết thuê bao có giấy phép
Khó khăn: Các yêu cầu quan trọng của cảm biến phổ tần hợp tác là:
Vị trí địa lý thích hợp của các nút hợp tác
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 41
Phân loại và mô hình vật lý của cảm biến hợp tác
3.2.1 Phân loại cảm biến hợp tác: Để thuận lợi cho việc phân tích cảm biến hợp tác, chúng ta chia cảm biến phổ tần hợp tác ra làm ba loại dựa vào cách các thuê bao chia sẻ kết quả cảm biến cho nhau trong mạng: tập trung, phân phối và tiếp sức-hỗ trợ Ba loại này được minh hoạ trong hình 3.3
Hình 3.3: Phân loại cảm biến phổ tần hợp tác a/ Tập trung, b/ Phân phối , c/ Tiếp sức - Hỗ trợ a/ Cảm biến hợp tác tập trung:
Trong cảm biến hợp tác tập trung, một trung tâm được gọi là trung tâm tổng hợp kiểm soát quá trình ba bước của cảm biến hợp tác Trước tiên, trung tâm tổng hợp chọn một kênh hay một tần số phù hợp cho cảm biến và hướng dẫn tất cả các thuê bao trong mạng vô tuyến nhận thức thực hiện cảm biến cục bộ Thứ hai, tất cả các thuê bao hợp tác gửi kết quả cảm biến cục bộ về cho trung tâm tổng hợp thông qua các kênh điều khiển Sau đó, trung tâm tổng hợp các kết quả cảm biến nhận được để ra quyết định chung về sự hiện diện của người dùng có giấy phép, quyết định chung này sẽ được gửi lại cho tất cả các thuê bao trong mạng
Như trong hình 3.3a, CR0 là trung tâm tổng hợp còn CR1 đến CR5 là các thuê bao vô tuyến nhận thức hợp tác gửi các quyết định cảm biến cục bộ về cho CR0 Đối với việc báo cáo dữ liệu, tất cả các thuê bao trong mạng được điều chỉnh tới một kênh điều khiển có kết nối vật lý điểm - điểm giữa mỗi thuê bao với trung tâm tổng
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 42 hợp để gửi kết quả cảm biến còn được gọi là kênh báo cáo Chú ý rằng, cảm biến hợp tác tập trung có thể xuất hiện trong mạng vô tuyến nhận thức tập trung hay phân phối Trong mạng vô tuyến nhận thức tập trung, một trạm gốc được gọi là trung tâm tổng hợp Ngoài ra, trong mạng vô tuyến nhận thức add-hoc không có sự tồn tại của trạm gốc bất kỳ thuê bao nào trong mạng cũng có thể đóng vai trò như một trung tâm tổng hợp b/ Cảm biến hợp tác phân phối:
Không giống như cảm biến hợp tác tập trung, cảm biến hợp tác phân phối không dựa vào một trung tâm tổng hợp để đưa ra quyết định cảm biến chung Trong trường hợp này, mỗi thuê bao vô tuyến nhận thức sẽ gửi kết quả cảm biến tới tất cả các thuê bao còn lại trong mạng và quá trình chỉ kết thúc khi hội tụ tới một quyết định thống nhất về sự hiện diện hay vắng mặt của PU Hình 3.3b minh hoạ cách thức hợp tác cảm biến phân phối Sau khi cảm biến cục bộ, CR1 cho tới CR5 sẽ chia sẻ kết quả cảm biến cho nhau trong phạm vi truyền dẫn của chúng Dựa trên thuật toán phân phối, mỗi thuê bao CR gửi kết quả cảm biến của nó cho các thuê bao khác, kết hợp dữ liệu của nó với dữ liệu cảm biến nhận được và ra quyết định về sự hiện diện của PU bằng cách sử dụng một tiêu chuẩn cục bộ Nếu tiêu chuẩn không đạt, thuê bao CR lại gửi kết quả cảm biến của nó tới thuê bao khác và quá trình này lặp đi lặp lại cho đến khi thuật toán hội tụ và quyết định đựơc đưa ra Với mô hình phân phối này có thể mất một số lần lặp để đạt được một quyết định chung thống nhất c/ Cảm biến tiếp sức - hỗ trợ:
Ngoài cảm biến hợp tác tập trung và phân phối còn có một phương pháp thứ ba đó là cảm biến tiếp sức - hỗ trợ Phương pháp này hoạt động như sau: giả sử một thuê bao CR thu đuợc tín hiệu kênh cảm biến yếu, kênh báo cáo mạnh còn thuê bao CR khác thì thu được tín hiệu kênh cảm biến mạnh, kênh báo cáo yếu Hai thuê bao này có thể bổ sung và phối hợp với nhau để cải thiện hiệu suất cảm biến hợp tác
Trong hình 3.3c, CR1, CR4 và CR5 thu được tín hiệu PU mạnh nhưng phát tín hiệu các kênh báo cáo yếu CR2 và CR3 phát tín hiệu các kênh báo cáo mạnh có thể
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 43 hỗ trợ chuyển tiếp các kết quả cảm biến của CR1, CR4 và CR5 cho trung tâm tổng hợp Trong trường hợp này, các kênh báo cáo từ CR2 và CR3 tới trung tâm tổng hợp cũng có thể được gọi là các kênh tiếp sức Chú ý rằng, cảm biến hợp tác tiếp sức-hỗ trợ có thể tồn tại trong mô hình phân phối
3.2.2 Mô hình vật lý của cảm biến hợp tác:
Mô hình cảm biến hợp tác bao gồm các PU, các thuê bao hợp tác CR bao gồm một trung tâm tổng hợp, tất cả các thành phần của cảm biến hợp tác, tài nguyên vô tuyến bao gồm các kênh truyền có giấy phép và các kênh điều khiển, một cơ sở dữ liệu tuỳ chọn từ xa [12]
Hình 3.4: Mô hình cảm biến hợp tác tập trung ở lớp vật lý
RF Frontend có thể được cấu hình đề truyền dữ liệu hay cảm biến phổ tần
Kết hợp dữ liệu (Data Fusion) l tần cục bộ để đưa ra quyế có thể được kết hợp bằng k
Kiểm định giả thuy định có sự hiện diện của PU hay kh tại mỗi thuê bao hợp tác CR đ ra quyết định chung
Chọn lựa thuê bao (User Selection) l mạng CR và phạm vi một hợp tác
Cơ sở dữ liệu (Knowledge base cho quá trình cảm biến hợ
Qui tắc quyết định tổng hợp
(Data Fusion) là quá trình kết hợp các kết quả ết định chung Dựa trên kiểu dữ liệu, các kế ng kỹ thuật kết hợp tín hiệu hoặc qui tắc quyết đ thuyết (Hypothesis testing) là một kiểm định th PU hay không Kiểm định này có thể được th
CR để ra quyết định cục bộ hoặc tại trung tâm bao (User Selection) là chọn lựa các thuê bao h t cách tối ưu để cực đại độ lợi hợp tác và c
Knowledge base) lưu trữ thông tin và các điều ợp tác để cải thiện hiệu suất phát hiện Các ông tin tiên nghiệm hoặc là thông tin tích lu m vị trí thuê bao PU và SU, các mô hình hoạ được nh tổng hợp:
Qui tắc quyết định cứng và quyết định mềm
Trang 44 ả cảm biến phổ ết quả cảm biến định hợp nhất nh thống kê để xác thực hiện độc lập âm tổng hợp để bao hợp tác trong cực tiểu chi phí u kiện thuận lợi thông tin trong luỹ từ thực tiễn ạt động của PU
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 45
3.3.1 Qui tắc quyết định cứng (Hard Decision Fusion):
Trong mô hình này, mỗi thuê bao quyết định sự hiện diện hay vắng mặt của thuê bao có giấy phép và gửi bit quyết định nhị phân tới trung tâm tổng hợp dữ liệu
Trung tâm tổng hợp dữ liệu sử dụng qui tắc n-out-of-M để ra quyết định chung Ưu điểm của phương pháp này là không cần băng thông lớn
Giả sử các quyết định không tương quan, xác suất phát hiện tại trung tâm tổng hợp được tính theo công thức sau:
(3.1) với Pd,i là xác suất phát hiện của từng thuê bao riêng lẻ a/ Qui tắc OR:
Giả sử có M thuê bao trong mạng vô tuyến nhận thức Qui tắc OR ra quyết định có sự hiện diện của thuê bao có giấy phép khi có 1 thuê bao trong số M thuê bao phát hiện sự hiện diện của thuê bao có giấy phép Xác suất phát hiện tính theo công thức:
Qui tắc AND ra quyết định có sự hiện diện của thuê bao có giấy phép khi tất cả các thuê bao đều phát hiện sự hiện diện của thuê bao có giấy phép Xác suất phát hiện tính theo công thức:
Một quyết định đa số là một trường hợp đặc biệt của qui tắc bầu chọn Trường hợp này giá trị n được chọn bằng M/2 thế vào công thức (3.1) ta có:
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 46
(3.4) d/ So sánh xác suất phát hiện thiếu và xác suất cảnh báo sai của ba qui tắc trong các kênh truyền khác nhau:
Sau đây, chúng ta sẽ so sánh xác suất phát hiện thiếu và xác suất cảnh báo sai của ba qui tắc quyết định cứng nêu trên [4]
Hình 3.6a: Xác suất phát hiện của các qui tắc quyết định cứng (OR, AND và đa số) trong kênh truyền AWGN với SNR = 10dB, có 10 người dùng, time-bandwidth product TW=5
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 47
Hình 3.6b: Xác suất phát hiện của qui tắc quyết định cứng (OR, AND và đa số) trong kênh truyền Ricean với SNR dB, 10 người dùng,time-bandwidth product
Hình 3.6c: Xác suất phát hiện của qui tắc quyết định cứng (OR, AND và đa số) trong kênh truyền Rayleigh với SNR = 10dB, 10 người dùng, time-bandwidth product
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 48
Quan sát các hình trên, ta thấy qui tắc OR có hiệu suất tốt hơn hai qui tắc còn lại trên các kênh truyền khác nhau Và qui tắc AND có hiệu suất thấp nhất
3.3.2 Qui tắc quyết định mềm (Soft Decision Fusion):
Trong kết hợp dữ liệu mềm, tất cả các thuê bao chuyển kết quả cảm biến cục bộ tới trung tâm tổng hợp mà không đưa ra quyết định cục bộ nào và quyết định được đưa ra tại trung tâm tổng hợp bằng cách sử dụng các qui tắc kết hợp thích hợp chẳng hạn như kết hợp theo bình phương (square law combining-SLC), kết hợp tỷ lệ tối đa (maximal ratio combining-MRC) và kết hợp chọn lọc (selection combining-SC) Kết hợp mềm cung cấp hiệu suất tốt hơn kết hợp cứng nhưng cần băng thông lớn cho các kênh điều khiển a/ Kết hợp theo bình phương: Đây là một trong những phương pháp kết hợp mềm tuyến tính đơn giản nhất
Trong phương pháp này, năng lượng ước lượng tại mỗi node được gửi tới trung tâm tổng hợp để cộng lại với nhau Sau đó, giá trị tổng này được so sánh với một mức ngưỡng để quyết định sự hiện diện hay vắng mặt của PU và thống kê quyết định được tính theo công thức:
(3.5) với En là năng lượng ước lượng của người dùng vô tuyến nhận thức thứ n
Trong kênh truyền AWGN, xác suất cảnh báo sai và xác suất phát hiện của qui tắc SLC được tính theo công thức sau:
Q d MRC , Q u ( 2 MRC , ) (3.7) với u = TW là time-bandwidth product; λ là ngưỡng phát hiện năng lượng
; n là tỷ lệ SNR của người dùng thứ n
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 49 b/ Kết hợp tỷ lệ tối đa:
Sự khác nhau giữa phương pháp này và phương pháp kết hợp theo bình phương là trong phương pháp này năng lượng nhận được tại mỗi thuê bao sẽ được cộng thêm một trọng số chuẩn hoá Trọng số này sẽ phụ thuộc vào tỷ lệ SNR nhận được của các thuê bao CR khác nhau Thống kê thử nghiệm của phương pháp này được tính theo công thức:
Trong kênh truyền AWGN, xác suất cảnh báo sai và xác suất phát hiện của qui tắc MRC được tính theo công thức sau:
Tóm lại, trong ba phương pháp quyết định mềm kể trên thì phương pháp MRC có hiệu suất phát hiện tốt nhất nhưng cần phải biết thông tin trạng thái kênh truyền
Còn phương pháp SLC không cần bất kỳ thông tin trạng thái kênh truyền và có hiệu suất tốt hơn SC Khi không có thông tin kênh truyền thì phương pháp SLC là tốt nhất
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 50
CÁC PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU CẢM BIẾN PHỔ TẦN HỢP TÁC ĐỂ CỰC TIỂU TỶ LỆ LỖI CỦA HỆ THỐNG
Tối ưu qui tắc biểu quyết
Cho K cố định ta sẽ đi tìm giá trị nopt tối ưu để giá trị (Qf + Qm) đạt cực tiểu
Giá trị n chính là số lượng quyết định cục bộ về sự có mặt của người dùng có giấy phép mà bộ thu chung nhận được Với mỗi giá trị n sẽ có một mức ngưỡng phát hiện năng lượng khác nhau để tính toán tỷ lệ lỗi Công thức đề xuất để tính toán nopt như sau: min , opt 1 n K K
HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 54
Chứng minh Từ công thức (4.8) và (4.9) ta có Qf + Qm = 1+ G(n) với ( ) (1 ) 1 (1 )
Để (Qf+Qm) cực tiểu thì ( ) 0
Qui tắc OR là tối ưu khi K1 tương ứng Pf
