Áp dụng kỹ thuật cảm biến phổ vào việc cấp phát tài nguyên cho mạng vô tuyến nhận thức

- viii - MCăLC Trang ta Trang QUYT ĐNH GIAO Đ TÀI i Lụ LCH KHOA HC ii LI CAM ĐOAN iii LI CM T iv TịM TT v DN NHP vii MC LC viii DANH SÁCH CHỎ GII THUT NG TING ANH xi DANH SÁCH HÌNH xi DANH SÁCH BNG xiv Chng 1: 1 TNG QUAN 1 1.1. Tng quan vƠ các kt qu nghiên cu trong vƠ ngoƠi nc 1 1.2. Mc tiêu, khách th vƠ đối tng nghiên cu 4 1.3. Nhim v ca đ tƠi vƠ phm vi nghiên cu 4 1.4. Phng pháp nghiên cu 5 Chng 2: 6 KIN TRỎC MNG VỌ TUYN NHN THC 6 2.1 Hố ph 6 2.2 Vô tuyn đc đnh nghĩa bằng phần mm SDR 6 2.3 Mối liên h gia CR vƠ SDR 8 2.4 S đ khối ca thit b thu phát CR 11 2.5 Kin trúc mng mng vô tuyn nhn thc 13 - ix - 2.6 Các ng dng ca mng vô tuyn nhn thc 15 2.6.1 Mng cho thuê ậ leased network 15 2.6.2 Mng mesh nhn thc ậ cognitive mesh networks 16 2.6.3 Mng khn cp 16 2.6.4 Mng quơn đi 16 2.7 Chun IEEE 802.22 cho mng không dơy cc b WRANs 16 2.7.1 Lp vt lỦ trong 802.22 17 2.7.2 Lp MAC trong 802.22 17 2.7.3 Cm bin kênh trong chun IEEE 802.22 18 2.7.4 Hng nghiên cu trong chun IEEE 802.22 20 Chng 3: 22 C S Lụ THUYT CA CÁC K THUT CM BIN PH 22 1. Cm bin ph da trên năng lng - Energy detection 23 2. Cm bin ph s dng matched filter 26 3. Cm bin ph da vƠo đặc đim n đnh vòng ậ Cyclostationary feature based detection 29 Chng 4: 34 MỌ PHNG CÁC GII THUT CP PHÁT TÀI NGUYểN PH TRONG MNG CR 34 4.1 Cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc da trên năng lng 34 4.2 Cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc s dng matched filter 35 4.3 Cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc da trên đặc đim n đnh vòng 37 Chng 5: 39 KT QU MỌ PHNG VÀ THC NGHIM TRểN KIT ARM LM3S2965 39 5.1 Cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc da trên năng lng 39 5.2 Cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc s dng matched filter 40 5.3 Cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc da trên n đnh vòng 42 TRIN KHAI GII THUT TRểN KIT ARM 49 - x - 5.4. Lu đ trin khai các gii thut cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc trên KIT ARM 49 5.4.1 Lu đ gii thut cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc da trên năng lng 49 5.4.2 Lu đ gii thut cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc s dng matched filter 50 5.4.3 Lu đ gii thut cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc da trên đặc đim n đnh vòng 52 5.5. Kt qu trin khai các gii thut cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc trên KIT ARM. 53 5.6. Nhn xét: 54 Chng 6 57 KT LUN VÀ HNG PHÁT TRIN Đ TÀI 57 6.1 Kt lun 57 6.2 Hng phát trin ca đ tƠi 57 TÀI LIU THAM KHO 59 PH LC 61 A - GII THIU V ARM VÀ KIT ARM LM3S2965 61 I ậ TNG QUAN V ARM CORTEX 61 II ậ GII THIU STELLARIS® LM3S2965 EVALUATION BOARD 76 B - PHNG PHÁP FFT ACCUMULATION TRONG TệNH TOÁN PH VÒNG 92 - xi - DANHăSÁCHăCHỎăGIIăTHUTăNGăTINGăANH Vitătt Dinăgii bằngătingăAnh AWGN : Additive White Gausian Noise BS : Base Station CPE : Comsumer Premise Equipment CR : Cognitive Radio DFT : Discrete Fourier Transform DSA : Dynamic Spectrum Access FAM : FFT Accumulation Method FCC : Federal Communications Commission FFT : Fast Fourier Transform IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers ISI : Intersymbol Interference MAC : Medium Access Control OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing PSD : Power Spectral Density PU : Primary User SCH : Superframe Control Header SDR : Software Defined Radio SNR : Signal to Noise Ratio SU : Secondary User TV : Television WSS : Wide Sense Stationary DANH SÁCH HÌNH Hình Trang Hình 1 - 1. Tình hình s dng ph ti Trung tơm nghiên cu mng không dơy Berkeley (Berkeley Wireless Research Center), Đi hc California ti Berkeley, USA [9]. 1 - xii - Hình 2 - 1. Minh ha “Hố phổ” [1] 6 Hình 2 - 2. Cu trúc phần cng ca thit b SDR [2] 7 Hình 2 - 3. Cu trúc phần mm ca thit b SDR [2] 8 Hình 2 - 4. Mối liên h gia SDR vƠ CR [9] 9 Hình 2 - 5. C ch nhn thc hay còn gi lƠ Cognitive Cycle a) Do Mitola đa ra [3] b) Dng tng quát [1] 10 Hình 2 - 6. Kin trúc vt lỦ ca CR a) kin trúc ca thit b thu phát CR b) kin trúc front-end RF/analog băng rng 11 Hình 2 - 7. Kin trúc mng vô tuyn nhn thc [1] 13 Hình 2 - 8. Cu trúc siêu khung vƠ cu trúc mt khung trong chun IEEE 802.22 [10] 19 Hình 2 - 9. C ch cm bin thô vƠ tinh trong h thống IEEE 802.22 [10] 19 Hình 3 - 1. Phơn loi các k thut cm bin ph [1] 22 Hình 3 - 2. S đ khối b cm bin ph da trên năng lng 26 Hình 3 - 3. S đ khối b cm bin ph s dng matched filter [4] 27 Hình 3 - 4. S đ khối ca cm bin ph da vƠo đặc đim n đnh vòng 29 Hình 3 - 5. Tín hiu n đnh vòng 30 Hình 4 - 1. Lu đ gii thut cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc s dng cm bin ph da trên năng lng. 34 Hình 4 - 2. Lu đ gii thut cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc s dng matched filter. 36 Hình 4 - 3. Lu đ gii thut cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc s dng n đnh vòng FAM (Ph lc B). 38 Hình 5 - 1. PSD tín hiu khi có 2 PU ti v trí 512Hz vƠ 2048Hz 39 Hình 5 - 2. PSD ca tín hiu khi đƣ thêm 1 SU ti v trí 1024Hz 40 Hình 5 - 3. PSD ca tín hiu khi đƣ thêm 1 SU ti v trí 1536Hz vƠ 1 SU ti v trí 3072Hz 40 Hình 5 - 4. Tng quan 2 tín hiu khi có 2 PU ti v trí 512 Hz vƠ 2048Hz 41 Hình 5 - 5. Tng quan 2 tín hiu khi đƣ thêm 1 SU ti v trí 1024Hz 42 - xiii - Hình 5 - 6. Tng quan 2 tín hiu khi đƣ thêm 1 SU ti v trí 1036Hz vƠ 1 SU ti v trí 3072Hz 42 Hình 5 - 7. Ph vòng khi có 1 PU ti v trí 2048Hz 43 Hình 5 - 8. Biu din 2 D ph vòng ca tín hiu khi có PU ti v trí 2048Hz a) alpha = 0 b) alpha = 4096 Hz 44 Hình 5 - 9. Ph vòng ca tín hiu khi có 2 PU ti v trí 2048Hz vƠ 512 Hz 45 Hình 5 - 10 Ph vòng tín hiu khi đƣ thêm 1 SU ti v trí 1024Hz 46 Hình 5 - 11. Ph vòng ca tín hiu khi đƣ thêm 1 SU ti v trí 1536Hz vƠ 1 SU ti v trí 3072KHz 48 Hình 5 - 12. Lu đ gii thut cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc da trên năng lng trên KIT ARM 49 Hình 5 - 13. Lu đ gii thut cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc s dng matched filter trên KIT ARM 51 Hình 5 - 14 Lu đ gii thut cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc da trên đặc đim n đnh vòng trên KIT ARM 52 Hình 5 - 15 Tín hiu sin vƠ tín hiu điu ch AM trên KIT ARM LM3S2965 55 Hình 5 - 16 Ph tín hiu tần số 512 Hz, 1024 Hz, 1536 Hz, 2048 Hz vƠ 3072 Hz trên KIT ARM LM3S2965 56 Hình A - 1 S phát trin ARM [11] 62 Hình A - 2 Cu trúc vi x lỦ ARM Cortex ậ M3 [11] 65 Hình A - 3 Bng đ b nh [11] 66 Hình A - 4 So sánh gia phng pháp qun lỦ bit truyn thống vƠ bit-banding ca Cortex ậ M3 [11] 67 Hình A - 5 Biu đ so sánh hiu sut vƠ kích thc mƣ cho ARM, Thumb vƠ Thumb-2 [11] 68 Hình A - 6 K thut tail-chaining trong NVIC [11] 70 Hình A - 7 H thống theo vt ca Cortex ậ M3 [11] 73 Hình A - 8 Board EVB LM3S2965 [12][13] 77 Hình A - 9 Board CAN LM3S2110 [12][13] 78 Hình A - 10 S đ khối board EVB LM3S2965 [12][13] 79 - xiv - Hình A - 11 S đ khối board LM3S2110 [12][13] 80 Hình A - 12 Ch đ giao tip ICD [12][13] 86 Hình A - 13 Kt nối trên board CAN LM3S2110 [12][13] 87 Hình A - 14 Bố trí ca các lnh kin trên board EVB [12][13] 88 Hình B - 1. Tính toán gii điu ch phc 93 Hình B - 2. Trin khai phng pháp FFT Accumulation 93 DANHăSÁCHăBNG Bngă Trang Bng A - 1 Thit lp ch đ gỡ li 82 Bng A - 2 Danh sách phần cng cách ly trên board [12][13] 85 Bng A - 3 Các chơn I/O kt nối qua header [12][13] 89 Bng A - 4 Cu hình các chơn JTAG/SWD [12][13] 90  - 1 - Chng 1: TNGăQUAN 1.1. TngăquanăvƠăcácăktăquănghiênăcuătrongăvƠăngoƠiănc Theo FCC, ph tần có đăng kỦ đc s dng trung bình ch khong 15-85% [1] vƠ đặc bit lƠ ph tần trên 3 GHz ít đc s dng nh mt cuc nghiên cu đc thc hin ti  Berkeley [5]. Kt qu đo đt vic s dng ph (hình 1 ậ 1) nh sau: s dng ph  di tần 3-4 GHz và 4-5 GHz ch chim lần lt lƠ 0.5% vƠ 0.3%. Từ s mt cơn đối nƠy, mt bƠi toán ln đặt ra cho các nhƠ nghiên cu lƠ tìm ra mt phng pháp truyn thông nhằm tn dng mi ph tần ri. Hình 1 - 1. Tình hình s dng ph ti Trung tơm nghiên cu mng không dơy Berkeley (Berkeley Wireless Research Center), Đi hc California ti Berkeley, USA [9]. Nh đƣ đ cp  trên, phần ln các mng không dơy hin nay s dng phng pháp cp phát ph cố đnh. Đơy lƠ mt phng pháp cp phát rt không hiu qu vì nhu cầu băng thông có đăng kỦ thay đi nhiu theo thi gian vƠ không gian. Từ nhng khó khăn nh đƣ nêu  trên, Joseph Mitola III [3] công tác ti KTH, Hc Vin Công Ngh HoƠng Gia (The Royal Institute of Technology), Stockholm, Thy Đin lần đầu tiên đa ra Ủ tng v mng mng vô tuyn nhn thc - Cognitive Radio (CR). - 2 - Mng CR lƠ mt lĩnh vc khá mi mẻ vƠ đầy trin vng cho truyn thông không dây trong nhng năm gần đơy. Vic thit k các h thống CR đáp ng đc các yêu cầu ca mt mng CR lƠ vô cùng quan trng nhằm tn dng đc các ph tần ri. Điu nƠy cũng có nghĩa lƠ s gii quyt đc vn đ v s hn hu ph tần ca các mng di đng. Cognitive radio (CR): là sóng vô tuyn da trên nhn thc. CR lƠ mt mô hình s dng cho truyn thông không dơy,  mô hình nƠy mng hoặc nút mng thay đi tham số truyn hoặc nhn (các tham số: ph hot đng, điu ch, vƠ công sut truyn ti) đ truyn thông có hiu qu nhằm tránh nhiu vi nhng ngi s dng có đăng kỦ hoặc không đăng kỦ. S thay đi các tham số nƠy da trên vic kim tra mt số yu tố bên trong vƠ bên ngoƠi ca môi trng vô tuyn, chẳng hn nh ph tần số vô tuyn, hƠnh vi ngi s dng vƠ tình trng ca mng. S linh hot nƠy lƠm cho CR có th tn dng ph tần không s dng, ci thin tốc đ vƠ đ tin cy ca các dch v không dơy. Chc năng chính ca CR :  Cm bin ph: phát hin ph không s dng vƠ chia sẻ ph nƠy mƠ không gơy nhiu cho ngi s dng khác. Yêu cầu quan trng ca mng CR lƠ cm bin các hố ph. Vic phát hin PU lƠ cách hiu qu nht đ phát hin hố ph. K thut cm bin ph có th chia thƠnh 3 loi:  Phát hiện thiết bị phát: CR phi có kh năng xác đnh nu mt tín hiu từ mt thit b phát PU xut hin trong mt ph nht đnh.  Phát hiện hợp tác  Phát hiện dựa trên nhiễu  Kim soát ph: nm đc ph có sẵn tốt nht đ đáp ng các yêu cầu truyn thông ngi s dng. CR phi quyt đnh di ph tốt nht đ - 3 - đáp ng các yêu cầu QoS qua tt c các di ph có sẵn. Chc năng kim soát có th chia thƠnh:  Phân tích phổ (spectrum analysis)  Quyết định phổ (spectrum decision)  Tính di đng ca ph: đc đnh nghĩa nh lƠ quá trình khi ngi s dng CR thay đi tần số hot đng. Các mng CR hng đn s dng ph đng bằng cách cho phép các đầu cuối hot đng trong di tần số có sẵn tốt nht, đm bo các yêu cầu truyn thông liên tc trong suốt quá trình chuyn tip sang ph tốt hn.  Chia sẻ ph: cung cp phng pháp lp lch ph hp lỦ. Mt trong nhng khó khăn chính trong vic s dng ph m lƠ chia sẻ ph. Có th xem giống nh vn đ điu khin truy cp môi trng (Medium Access Control ậ MAC) đang tn ti trong các h thống.  Việt Nam, đơy lƠ lĩnh vc khá mi mẻ nên số lng đ tƠi nghiên cu v lĩnh vc nƠy còn khá ít. Mt số đ tƠi đin hình lƠ đ tƠi Thc s ca Trng Minh Chính,“Cảm nhận phổ theo mô hình phân tán hợp tác trong mạng radio có ý thức bằng kỹ thuật lấy mẫu nén”. Hay là đ tƠi ca sinh viên Lê Đình Huy “Cảm nhận phổ hợp tác trong vô tuyến có ý thức (Cooperative Spectrum Sensing in Cognitive Radio)”,và đ tƠi ca hai sinh viên Mai Thanh Nga và Trần Ngc Dũng:“Nghiên cứu thiết kế anten và phương pháp ước lượng phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio)”.Mt đ tƠi khác nghiên cu v nh hng ca fading đn h thống mng vô tuyn nhn thc ca Lơm Sinh Công “Effect of Shadowing/fading in Cognitive Radio System”,… Một số công trình nghiên cứu  nước ngoài:  bƠi báo [5] ngi ta dùng phng pháp cm bin đặc tính da trên n đnh vòng đ phát hin tín hiu PU. Trong bƠi vit [1] đ cp kin trúc ca CR vƠ cũng đƣ nêu ra các phng pháp cm bin ph da trên năng lng, cm bin dùng matched filter vƠ cm bin đặc tính da trên n đnh vòng. [...]... phép Do đó, trong m ng vô tuy n nh n th c, có ba lo i truy nh p khác nhau, đó lƠ:  Truy nhập mạng vô tuyến nhận thức (xG network access): Ng i dùng vô tuy n nh n th c có th truy nh p t i chính tr m gốc vô tuy n nh n th c c băng c p phép vƠ không c p phép  Truy nhập mạng vô tuyến nhận thức ad-hoc (xG ad-hoc access): Ng i dùng vô tuy n nh n th c có th truy n thông v i nh ng ng dùng vô tuy n nh n th c khác... kh năng nƠy  Mạng mạng vô tuyến nhận thức (hay còn g i lƠ m ng xG, m ng truy c p ph tần đ ng, m ng th c p, m ng không đ c c p phép): không có gi y phép đ ho t đ ng trong m t băng mong muốn Do đó, nó ch đ c phép truy nh p ph khi có c h i M ng vô tuy n nh n th c có th g m c m ng có c s h tầng vƠ m ng adhoc, các thƠnh phần c a m ng vô tuy n nh n th c nh sau:  Ngư i dùng vô tuyến nhận thức: (hay còn... chia sẻ băng ph c p phép  Trạm gốc vô tuyến nhận thức: (hay còn g i lƠ tr m gốc xG, tr m gốc không c p phép, tr m gốc th c p) lƠ thƠnh phần c s h tầng cố đ nh v i các kh năng c a vô tuy n nh n th c Tr m gốc vô tuy n nh n th c cung c p k t nối đ n chặng t i nh ng ng - 14 - i dùng vô tuy n nh n th c mƠ không cần gi y phép truy nh p ph Thông qua k t nối nƠy, ng i dùng vô tuy n nh n th c có th truy c p... các đ tƠi trong vƠ ngoƠi n c; nghiên c u áp d ng vƠ mô ph ng gi i thu t c m bi n ph trong c p phát tƠi nguyên ph cho m ng vô tuy n nh n th c Đ ng th i, đ tƠi cũng ti n hƠnh tri n khai các gi i thu t đƣ mô ph ng trong phần m m Matlab trên KIT ARM LM3S2965 -4- 1.4 Ph ngăphápănghiênăc u Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: tìm ki m, đ c vƠ nghiên c u tƠi li u v m ng vô tuy n nh n th c, tƠi li u v ARM, tƠi... phép vƠ không c p phép  Truy nhập mạng chính (Primary network access): Ng i dùng vô tuy n nh n th c cũng có th truy c p t i tr m gốc chính thông qua băng c p phép 2.6 Cácă ngăd ngăc aăm ng vô tuy nănh năth c M ng vô tuy n nh n th c có th áp d ng trong các tr 2.6.1 M ng cho thuêăậ leased network - 15 - ng h p sau đơy: M ng chính có th cung c p m ng cho thuê bằng cách cho phép ng CR truy c p ph có đăng... ph nƠo đó hay không Ph ng pháp phát hi n b phát đ c d a trên s phát hi n tín hi u y u c a b phát chính thông qua vi c quan sát ng i s d ng xG Mô hình gi thuy t c b n c a c m bi n b phát có th đ = V i y(t) lƠ tín hi u ng ng c đ nh nghĩa nh sau: 0, + (3 - 1) 1, i s d ng xG nh n đ c, x(t) là tín hi u phát c a i s d ng chính, w(t) lƠ nhi u Gauss ậ AWGN H0 lƠ gi thuy t null cho bi t lƠ không có tín hi u... nó Ch c năng c m bi n ph cho phép CR thích nghi v i môi tr ng xung ng mƠ nó đang ho t đ ng nh vƠo vi c phát hi n hố ph Cách phát hi n hố ph hi u qu nh t lƠ phát hi n ng i s d ng chính Tuy nhiên, trong th c t , r t khó đ m t CR có th đo đ t tr c ti p từ kênh truy n gi a các b thu chính vƠ b phát Vì th , phần l n các công trình nghiên c u hi n nay t p trung vƠo phát hi n b phát chính d a trên quan sát... tác l n nhau Ph ng pháp phù h p cho h thống nƠy đang đ c phát tri n Tính kinh t : b i vì chu n IEEE 802.22 WRAN s dùng băng TV mƠ nó thu c v các nhƠ cung c p d ch v TV Do đó, tính kinh t vƠ giá c thì cần đ phát tri n cho m c đích th ng i cung c p d ch v ng m i ph WRAN Số l gi a các băng TV đ c s ng c a các băng TV thì đ c h u v i c tính toán sao cho giá c c a nó cũng tối u H tr QoS: phát tri n khung công... c th m ng trung tơm đóng vai trò chia sẻ tƠi nguyên ph gi a các m ng xG khác nhau B chia ph có th đ c k t nối t i m i m ng vƠ có th ph c v nh lƠ b qu n lỦ thông tin ph cho phép t n t i c a nhi u m ng xG M ng vô tuy n nh n th c bao g m nhi u lo i m ng khác nhau: m ng chính, m ng vô tuy n nh n th c d a trên c s h tầng, vƠ m ng vô tuy n nh n th c adhoc M ng vô tuy n nh n th c ho t đ ng d i môi tr ng ph... Song, vì đi u ki n không cho phép v th i gian cũng nh thi t b vƠ tƠi li u nghiên c u nên đ tƠi nƠy ch gi i h n m t số nhi m v sau:  Tìm hi u tình hình th c t v vi c s d ng ph tần hi n nay, các yêu cầu c p thi t đang đặt ra  Tìm hi u t ng quan v m ng vô tuy n nh n th c  Nghiên c u gi i thu t c m bi n ph áp d ng trong m ng vô tuy n nh n th c nhằm tối u hóa vi c s d ng tƠi nguyên ph  Bên c nh đó, . Chính, Cảm nhận phổ theo mô hình phân tán hợp tác trong mạng radio có ý thức bằng kỹ thuật lấy mẫu nén”. Hay là đ tƠi ca sinh viên Lê Đình Huy Cảm nhận phổ hợp tác trong vô tuyến có ý thức. THUT CP PHÁT TÀI NGUYểN PH TRONG MNG CR 34 4.1 Cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc da trên năng lng 34 4.2 Cp phát tƠi nguyên ph cho ngi. thut cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn nhn thc s dng matched filter 50 5.4.3 Lu đ gii thut cp phát tƠi nguyên ph cho ngi s dng CR trong mng vô tuyn