Tìm hiểu cảm biến phổ trong hệ thống vô tuyến nhận thức

Tìm hiểu cảm biến phổ trong hệ thống vô tuyến nhận thức

LỜI CAM ĐOAN Nhóm đồ án: Nguyễn Vĩnh Kiều, lớp 09DT2 Trần Thị Mai Hương, lớp 09DT2 Nguyễn Thị Thảo, lớp 12DTLT Khoa: Điện tử - Viễn thông Trường: Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng Nhóm em thực đồ án chuyên ngành “Tìm hiểu cảm biến phổ hệ thống vô tuyến nhận thức” Nhóm em xin cam đoan nội dung đồ án chép đồ án công trình có từ trước LỜI MỞ ĐẦU Thông tin vô tuyến ngày phát triển mạnh mẽ giới với ứng dụng rộng rãi lĩnh vực thông tin, dịch vụ sống ngày Các kĩ thuật không ngừng hoàn thiện để đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng Và vấn đề đặt cho toàn giới quốc gia khan phổ tần số có Để tận dụng phổ tần số hệ thống cấp phát, công nghệ xuất nhằm giải vấn đề này, vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) Xuất phát từ ý tưởng gợi ý cô hướng dẫn, nhóm em thực đề tài “Tìm hiểu cảm biến phổ hệ thống vô tuyến nhận thức” Vì thời gian thực kiến thức thực tế có hạn nên nội dung đồ án khó tránh khỏi hạn chế thiếu sót, nhóm em mong thầy cô thông cảm mong nhận đánh giá thầy cô để nhóm hoàn thiện vốn kiến thức thân Qua đây, nhóm xin chân thành cảm ơn thầy cô Khoa Điện tử Viễn Thông - Đại học Bách khoa Đà Nẵng giúp đỡ, giảng dạy, cung cấp cho nhóm kiến thức quan trọng Đặc biệt nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc tới cô giáo Trần Thị Hương, người hướng dẫn, giúp đỡ, bảo tận tình để nhóm hoàn thành đồ án Cuối nhóm em xin chúc thầy cô sức khỏe đạt nhiều thành công sống Đà Nẵng, ngày 20 tháng 01 năm 2014 Nhóm sinh viên Nguyễn Vĩnh Kiều Trần Thị Mai Hương Nguyễn Thị Thảo LỜI CAM ĐOAN LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Truy nhập phổ vô tuyến 1.3 Vấn đề khan hiệu suất sử dụng phổ 1.4 Giải pháp vô tuyến nhận thức truy cập phổ động 1.5 Kết luận chương CHƯƠNG 2: COGNITIVE RADIO - VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 2.1 Giới thiệu chung 2.2 Khái niệm vô tuyến nhận thức - Cognitive Radio (CR) 2.3 Kiến trúc mạng 2.4 Hoạt động mạng Vô tuyến nhận thức 2.4.1 Trên băng cấp phép 2.4.2 Trên băng không cấp phép 2.5 Kiến trúc vật lý 10 2.6 Vô tuyến định nghĩa mềm (SDR) cho hệ thống vô tuyến nhận thức 12 2.7 Mô hình vô tuyến thông minh dựa SDR 13 2.8 Quản lý phổ 15 2.8.1 Cảm biến phân tích phổ tần 15 2.8.2 Chia sẻ phân phối phổ động 16 2.9 Kết luận chương 18 CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN PHỔ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 3.1 Giới thiệu chương 19 3.2 Cảm biến phổ 19 3.3 Phân loại 20 3.4 Cảm biến phổ dựa vào lượng 20 3.4.1 Phương pháp 20 3.4.2 Ưu điểm nhược điểm phương pháp 24 3.5 Cảm biến phổ dựa vào lượng_ Matched filter 25 3.6 Cảm biến phổ kết hợp (Cooperation spectrum sensing) 26 3.6.1 Giới thiệu 26 3.6.2 Nguyên lí hoạt động CSS 27 3.6.3 Hoạt động CSS kênh truyền Fading 28 3.6.4 Cảm biến phổ kết hợp nhanh ( Robust CSS ) 29 3.6.4.1 Phân tập kết hợp cho cảm biến phổ kết hợp (Cooperative Diversity) 30 3.6.4.2 Phân tập chuyển tiếp cho cảm biến phổ kết hợp (Relay Diversity) 30 3.6.4.3 Phân tập đa người dùng cho cảm biến phổ kết hợp 31 3.6.4.5 Quyết định bị thiếu cho cảm biến phổ kết hợp (Censored decision) 32 3.7 Kết luận chương 33 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CỦA VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 4.1 Giới thiệu chương 33 4.2 Lĩnh vực phủ 33 4.3 Quản lí cứu hộ tình thảm họa 33 4.4 Cứu hỏa 34 4.5 Chống tội phạm 34 4.6 Điều khiển giao thông 34 4.7 Y tế 35 4.8 Môi trường 35 4.9 Quân đội 36 4.10 Kết luận chương 36 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG CẢM BIẾN NĂNG LƯỢNG 5.1 Giới thiệu chương 37 5.2 Cảm biến định sử dụng phổ 37 5.3 Phương pháp cảm biến dựa vào lượng 38 5.4 Kết luận chương 40 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI TÀI LIỆU THAM KHẢO Chương 1: Tổng quan mạng vô tuyến nhận thức CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 1.1 Giới thiệu chƣơng Tần số nguồn tài nguyên vô quý giá thông tin vô tuyến Hiện nay, tần số nguồn tài nguyên hạn chế Tính chất hạn chế đuợc hiểu dải tần số vô hạn song người sử dụng khoảng 100 GHz để truyền tín hiệu vô tuyến Trong có nhiều ứng dụng vô tuyến sử dụng nguồn tài nguyên hạn chế Chính mà việc sử dụng tần số phải quản lý cách cẩn thận phạm vi quốc gia toàn giới Ở phạm vi quốc gia, nguồn tài nguyên tần số quản lí ủy ban quản lí tần số nhà nước Ủy ban thực việc phân chia cấp giấy phép quyền sử dụng dải tần số khác cho nhà khai thác để cung cấp dịch vụ định Ủy ban đưa quy định tiêu chuẩn để đảm bảo không xảy chống lấn gây nhiễu lẫn mạng nhà khai thác Việc cấp phát dải tần số phải tuân thủ nguyên tắc chung mang tính quốc tế nhằm điều hòa việc sử dụng tần số quốc gia vùng lãnh thổ với Hiện nay, mạng vô tuyến có đặc điểm sử dụng dải tần số cố định Tức hệ thống thiết kế để hoạt động dải tần mà cấp phép Trước hết, số dải tần ấn định cho mục đích tối quan trọng xã hội dịch vụ khẩn cấp, đảm bảo an toàn, dịch vụ hàng không… Các dải tần khác ấn định cho mục đích sử dụng mang tính thương mại phát thanh, truyền hình, điện thoại di động tế bào… Cuối cùng, có khối lượng nhỏ phổ tần số không cần cấp phép người có quyền sử dụng Mặc dù sách cấp phát tần số cố định có nhiều ưu điểm song gây lãng phí lớn việc sử dụng nguồn tài nguyên tần số Hiện nay, nhiều nghiên cứu dải tần số cấp phép sử dụng với hiệu suất thấp Theo ủy ban truyền thông liên bang Mỹ FCC, hiệu suất Trang Chương 1: Tổng quan mạng vô tuyến nhận thức sử dụng dải tần số cấp phép đạt từ 15% đến 85% tổng số phổ tần khả dụng giá trị thay đổi theo thời gian vị trí địa lí dải tần Hình 1.1 cho thấy tình hình sử dụng tần số dải từ GHz đến GHz Dựa vào hình trên, ta thấy bên cạnh dải tần số 0-2GHZ sử dụng hiệu dải tần số từ 3-5GHz sử dụng Điều cho thấy khối lượng lớn phổ sử dụng với hiệu suất thấp Hình 1.1 Hiệu sử dụng tần số Hệ thống vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) giải vấn đề nhờ vào khả sử dụng phổ linh hoạt, cho phép nhiều kỹ thuật, người dùng khác chia sẻ dãy tần Hiện giới hệ sử dụng kỹ thuật cognitive xây dựng hệ thống wifi 802.22 nâng cấp băng tần chuẩn VHF UHF vốn dành cho TV với tầm sóng xa 100 km tốc độ đạt 22 Mbps (mỗi kênh) đưa vào khảo sát châu Âu, Canada, Mỹ thị trường khác Ở Việt Nam ngày có nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông chuẩn viễn thông ứng dụng tài nguyên phổ ngày hẹp dần Trong tương lai không xa, công nghệ vô tuyến thông minh ứng dụng Việt Nam để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên phổ 1.2 Truy nhập phổ vô tuyến Truy nhập phổ vô tuyến bị giới hạn quan quản lí phổ quốc gia Phần lớn phổ dành cho dịch vụ vô tuyến cấp phép Truy nhập mở hầu hết phổ cho phép với công suất truyền nhỏ Trang Chương 1: Tổng quan mạng vô tuyến nhận thức Trong vòng vài thập kỉ qua, nhiều chuẩn không dây, công nghệ dịch vụ cho phổ không cấp phép đời.Trong số phổ biến IEEE 802.11 WLAN, Wi-fi, Bluetooth cho IEEE 802.15 WPANs Hệ thống ứng dụng không dây phổ không cấp phép thực thành công thương mại Ngày nhiều hệ thống vô tuyến sử dụng khoảng phổ này, chứng tỏ hữu dụng để thay đổi cách quản lý phổ nhằm hướng tới truy cập phổ mở linh hoạt Giới hạn trì hoãn truy cập phổ thắt nghẽn làm chậm lại trình phát triển dịch vụ vô tuyến Những hệ thống cải thiện sức khỏe, an ninh, môi trường làm việc, giáo dục, giải trí Sự phát triển đầy hứa hẹn số lượng thiết bị vô tuyến dựa chuẩn không dây bị trì hoãn giới hạn 1.3 Vấn đề khan hiệu suất sử dụng phổ Phổ vô tuyến tài nguyên có hạn Cụm từ phổ vô tuyến khoảng tần số điện từ 3KHz 300GHz Hình 1.1 minh họa khoảng tần số mà thường để phổ tần số Hầu hết hệ thống thông tin vô tuyến yêu cầu bảo vệ chặt chẽ chống lại nhiễu từ hệ thống vô tuyến khác Ngày nay, phổ cấp phép đảm bảo khỏi nhiễu Phần lớn phổ vô tuyến cấp cho hệ thống thông tin dịch vụ truyền thông xác định Hình 1.1 Tuy nhiên, tài nguyên phổ lại bị lãng phí nhiều lí Thứ nhất, thất bại mặt kinh tế dịch vụ hệ thống vô tuyến cấp phép dẫn đến phổ không sử dụng Ví dụ, WiMAX xuất không thành công thương mại, phổ WiMAX xác định cấp phép nhiều nước, lại không sử dụng diện rộng Phổ WiMAX làm lãng phí tài nguyên phổ Thứ hai, Hệ thống vô tuyến quân đội công an yêu cầu phổ cho hệ thống mà chủ yếu hoạt động có biến cố Do thêm phần lãng phí tài nguyên phổ Trang Chương 1: Tổng quan mạng vô tuyến nhận thức Thứ ba, phát triển công nghệ dẫn đến cải thiện hiệu suất phổ hệ thống thông tin cấp phép tại, ví dụ phát sóng tivi số Do yêu cầu phổ để cung cấp dịch vụ Nói tóm lại, phần lớn phổ sử dụng không hiệu Hơn hết, cần tìm công nghệ giúp việc truy cập phổ cách linh hoạt Như giải vấn đề khan lãng phí phổ 1.4 Giải pháp vô tuyến nhận thức truy cập phổ động Truy cập phổ động việc sử dụng linh hoạt thay đổi phổ tần theo thời gian giới hạn cho phép quan quản lí Vô tuyến nhận thức với truy nhập phổ động vượt qua vấn đề mà ta đề cập đến Vô tuyến nhận thức không công nghệ vô tuyến mà chứa thay đổi mang tính cách mạng việc quản lý phổ Vô tuyến thiết kế để sử dụng chia sẻ linh hoạt phổ mà không ảnh hưởng hệ thống vô tuyến cấp phép 1.5 Kết luận chƣơng Bài toán việc sử dụng phổ cách hiệu đặt đòi hỏi cần phải có cách thức tiếp cận việc chia sẻ phổ tần số cách tốt Từ xây dựn hệ thống mạng vô tuyến nhận thức (vô tuyến thông minh) để giải vấn đề Một hệ thống dựa linh hoạt việc chia sẻ phổ tần giúp tận dụng tối đa phổ tần cấp phép Trang Chương 2: Cognitive radio – vô tuyến nhận thức CHƢƠNG 2: COGNITIVE RADIO - VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 2.1 Giới thiệu chung Khái niệm “vô tuyến nhận thức” - cognitive radio đề xuất để giải vấn đề hiệu phổ tần nhận quan tâm ngày tăng năm gần Chương khảo sát tiến gần nghiên cứu liên quan đến CR Các nguyên tắc công nghệ vô tuyến nhận thức, kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức ứng dụng Các công trình có cảm biến phổ xem xét vấn đề quan trọng việc phân bổ phổ tần động 2.2 Khái niệm vô tuyến nhận thức - Cognitive Radio (CR) Hệ thống vô tuyến thông minh hệ thống mà phần tử có khả thay đổi tham số (công suất, tần số) sở tương tác với môi trường hoạt động Mục đích vô tuyến thông minh cho phép thiết bị vô tuyến khác hoạt động dải tần trống tạm thời mà không gây nhiễu đến hệ thống vô tuyến có quyền ưu tiên cao hoạt động dải tần Để cho phép tận dụng tối đa tài nguyên phổ tần trên, vô tuyến thông minh phải có tính sau:  Cảm biến phổ (Spectrum sensing): giám sát band tần phổ, bắt lấy thông tin band tần phổ xác định lỗ hỏng tần số hay phổ trống  Quản lí phổ (Spectrum management): Sau cảm biến phổ định khoảng phổ trống, CR tiến hành việc quản lí để chọn khoảng phổ tối ưu, đáp ứng yêu cầu chất lượng mạng thông tin QoS (Quality of service) Chức chia làm bước: phân tích phổ định phổ  Sử dụng phổ linh hoạt (Spectrum mobility): CR linh hoạt thay đổi tần số sử dụng để chuyển qua tần số sẵn có khác mà cải thiện chất lượng mạng thông tin nhằm đạt chất lượng tốt Trang Chương 2: Cognitive radio – vô tuyến nhận thức  Chia sẻ phổ (Spectrum Sharing): Trong mạng thông tin mà nhiều CR hoạt động Do cần phải có chức chia sẻ phổ CR để tránh xung đột Hình 2.1 Sử dụng phổ linh hoạt 2.3 Kiến trúc mạng Thành phần kiến trúc mạng, phân thành hai nhóm mạng (primary network) mạng Vô tuyến nhận thức (secondary network) Các thành phần hai nhóm mạng xác định sau:  Mạng (Primary network): Mạng có quyền truy nhập tới vài băng phổ định, chẳng hạn mạng TV quảng bá, hay mạng tổ ong nói chung Các thành phần mạng bao gồm:  Người dùng (Primary user): Người dùng (hay người dùng cấp phép) có giấy phép để hoạt động băng phổ định Truy nhập giám sát trạm gốc không bị ảnh hưởng hoạt động người dùng không cấp phép khác Để tồn với trạm gốc Vô tuyến nhận thức người dùng Vô tuyến nhận thức, người dùng không cần điều chỉnh chức cộng thêm  Trạm gốc (Primary base-station): Trạm gốc (hay trạm gốc cấp phép) thành phần sở hạ tầng mạng cố định, có giấy phép phổ, BTS hay Node B mạng tổ ong Về nguyên tắc, trạm gốc khả chia sẻ phổ với người dùng CR Tuy Trang Chương 3: Cảm biến phổ vô tuyến nhận thức Tóm lại, CSS thực thông qua kênh: kênh cảm biến (từ PU đến CR) kênh báo cáo (từ CR đến nhận chung) Bằng cách tăng số lượng CR kết hợp với nhau, xác suất bỏ sót việc cảm biến phổ thật giảm xuống đáng kể Cho dù CR mắc lỗi việc phát tín hiệu PU nhiều hội phát cho CR khác Một ưu điểm khác CSS khả giao tiếp qua lại CR mạng Khi CR xa PU, tín hiệu nhận yếu cảm biến Tuy nhiên, thông qua CR khác nằm gần PU, tín hiệu PU phát dễ dàng 3.6.3 Hoạt động CSS kênh truyền Fading Trong thực tế, kênh báo cáo CR nhận chung xuất hiện tượng Fading Shadowing CR3 hình Các tượng làm giảm độ tin cậy việc truyền báo cáo cảm biến phổ từ CR nhận chung Định nghĩa: Xác suất lỗi báo cáo (reporting error) CR thứ i, kí hiệu Pe,i , định nghĩa xác suất lỗi việc truyền tín hiệu qua kênh báo báo CR thứ i nhận chung Định lí: Đặt Qf Qm lần lươt xác suất báo động sai xác suất bỏ sót CSS : K Q f  1-[(1  Pf ,i )(1  Pe,i )  Pf ,i Pe,i ] i 1 (3.10) K Qm  [Pm,i (1  Pe,i )  (1  Pm,i ) Pe,i ] i 1 (3.11) Hệ quả: Giả sử CR có Pf,i= Pf Pm.i = Pm với tất i = 1,…, K xác suất lỗi báo cáo giống với CR, đó: K  Q f  1-[(1  Pf )(1  Pe )  Pf Pe ]  K  Qm  Pm (1  Pe )  (1  Pm ) Pe ] (3.12) Trang 28 Chương 3: Cảm biến phổ vô tuyến nhận thức Hơn Q bị chặn bởi:  Qf  Qf lim Pf 0 Q f   (1  Pe ) K  KPe (3.13) Chúng ta dễ dàng nhận thấy tăng số lượng CR mạng CSS (K tăng) làm tăng giới hạn xác suất báo động sai f Để giải vấn đề cần phải đưa công nghệ 3.6.4 Cảm biến phổ kết hợp nhanh ( Robust CSS ) Qua phần trình bày, việc tăng số lượng CR mạng CSS nâng cao xác suất phát hiện, nhiên việc lại bị giới hạn độ tin cậy kênh báo cáo Do người ta đưa công nghệ CSS cải tiến 3.6.4.1 Phân tập kết hợp cho cảm biến phổ kết hợp (Cooperative Diversity) Hình 3.3 Phân tập kết hợp cho cảm biến phổ kết hợp Chúng ta xét trường hợp mạng CSS với CR hình vẽ.Vì CR gần nên kênh truyền chúng giả sử lý tưởng Đầu tiên CR thực việc cảm biến phổ độc lập thu kết D1 cho CR1 D2 cho CR2 Sau chúng trao đổi định cho nhau.Cuối CR1 gửi {D1, D2} khe thời gian cho thu chung Tương tự CR2 gửi {-D2, D1} cho thu chung Với cách làm báo cáo gửi cho thu chung thông qua hai kênh truyền fading độc lập Điều nâng space diversity lên Trang 29 Chương 3: Cảm biến phổ vô tuyến nhận thức thành Tổng quát, số lượng CR mạng CSS K, nâng diversity lên thành K Tóm lại, cách lợi dụng Cooperative diversity CR nằm gần nhau, giảm xác suất lỗi báo cáo, nâng cao khả thực CSS 3.6.4.2 Phân tập chuyển tiếp cho cảm biến phổ kết hợp (Relay Diversity) Khi kênh báo cáo CR gặp phải tượng Shadowing định không gửi tới nhận chung Vì mà cực đại cooperative diversity đạt CSS bị giảm Giả sử CR thứ i thất bại việc gửi định tới nhận chung tượng Shadowing Khi công suất tín hiệu nhận nhận chung yếu bị hòa vào nhiễu Bộ nhận chung đưa định ngẫu nhiên H0 H1 CR thứ i lúc không đáng tin cậy Một mạng có nhiều CR không đáng tin cậy làm giảm khả CSS Để giải vấn đề này, thu chung đánh giá SNR tín hiệu nhận Nếu SNR nhỏ mức ngưỡng cho trước CR bị cho không đáng tin cậy Dưới giám sát thu chung, CR không đáng tin cậy chuyển tiếp kết cảm biến phổ cho CR khác có trạng thái kênh truyền đủ tốt hình Hình 3.4 Phân tập chuyển tiếp cho cảm biến phổ kết hợp 3.6.4.3 Phân tập đa ngƣời dùng cho cảm biến phổ kết hợp Để giảm xác suất lỗi báo cáo, phân tập đa người dùng CSS Hình minh họa cho phương pháp này.Ở mạng phân cấp thành hai lớp Trong lớp đầu tiên, CR có SNR cao chọn CR chính, CR lại hướng kết nối CR Mỗi CR Trang 30 Chương 3: Cảm biến phổ vô tuyến nhận thức gửi định cảm biến phổ cho CR chính, CR tổng hợp định dựa vào luật OR để đưa định Ở tầng thứ hai tầng cao hơn, CR kết nối trực tiếp với nhận chung Dựa vào định CR gửi về, nhận chung đưa định cuối dựa vào luật OR Hình3.5 Phân tập đa người dùng cho cảm biến phổ kết hợp Ưu điểm phương pháp CR có SNR cao làm CR chính, việc giúp làm giảm xác suất lỗi báo cáo Ngoài tổng số bit báo cáo gửi cho nhận chung giảm đáng kể tất CR mạng mà có CR phép gửi báo cáo cho nhận chung Điều giúp làm giảm băng thông cho kênh truyền 3.6.4.5 Quyết định bị thiếu cho cảm biến phổ kết hợp (Censored decision) Đối với mạng CSS có số lượng CR lớn, tổng số bit định CR truyền cho thu chung lớn đòi hỏi việc băng thông kênh truyền kết khoảng thời gian cảm biến dài Chúng ta biết định CR D ∊ {0,1}, D nhận cách so sánh giá trị quan sát CR (kí hiệu O) với mức ngưỡng cho trước λ Giá trị quan sát O nằm vùng lân cận λ không đáng tin cậy nhiễu Để loại trừ điều này, định bị thiếu sử dụng CSS Bằng cách đặt [λ1 , λ2] khoảng lân cận mức ngưỡng λ ,phương pháp Trang 31 Chương 3: Cảm biến phổ vô tuyến nhận thức cho phép CR có giá trị quan sát O khoảng [λ1 , λ2] gửi định cảm biến phổ D cho nhận chung 0,  O  1 D 1, O  2 (3.14) Còn λ1 < O < λ2 CR không gửi cho nhận chung Xác suất trường hợp xảy cho bởi:  K   Prob{1  O  2 } ( 3.15) Vì CR phép gửi gửi bit định cho nhận chung Cho nên tỉ số tổng số bit định gửi cho nhận chung tổng số K CR mạng Vì tổng số bit định trung bình K Phương pháp giúp giảm số lượng bit định gửi cho nhận chung mà không cần tác động nhiều đến trình cảm biến phổ Đó nhờ việc loại bỏ không truyền định cảm biến phổ không đáng tin cậy cho nhận chung 3.7 Kết luận chƣơng Với việc tìm hiểu phương pháp cảm biến phổ hệ thống vô tuyến nhận thức đưa cho cách nhìn nhận cách thức làm việc hệ thống Đây kiến thức tảng giúp sâu nghiên cứu tìm hiểu mạng vô tuyến Trang 32 Chương 4: Ứng dụng vô tuyến nhận thức CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG CỦA VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 4.1 Giới thiệu chƣơng Với việc sử dụng linh hoạt phổ tần số điều kiện giới hạn, vô tuyến nhận thức mở hội ứng dụng nhiều trường hợp sống Trong chương giới thiệu vài ứng dụng hệ thống vô tuyến nhận thức để nhìn nhận vai trò to lớn 4.2 Lĩnh vực phủ Vô tuyến thông minh ứng dụng an toàn công cộng ứng phó với trường hợp khẩn cấp thảm họa Vì mạng khẩn cấp liên quan tới thông tin khẩn nên cần đảm bảo truyền thông tin cậy với trễ nhỏ Thêm vào đó, truyền thông khẩn cấp yêu cầu lượng phổ đáng kể để xử lí lượng lưu lượng lớn, bao gồm thoại, video, liệu Các mạng vô tuyến nhận thức cho phép sử dụng phổ sẵn có cách trì ưu tiên truyền thông thời gian đáp ứng Một số trường hợp điển hình ứng dụng vô tuyến nhận thức để giải vấn đề phủ bảo vệ, an ninh, an toàn, tình thảm họa 4.3 Quản lí cứu hộ tình thảm họa Trong trường hợp thảm họa xảy ra, mạng không dây cá nhân mạng điện thoại không hoạt động khoảng phổ dùng cho an ninh công cộng tải số lượng kết nối khẩn cấp Lúc vô tuyến nhận thức sử dụng khoảng phổ trống có phép không phép thiết bị mạng không đồng để thiết lập trì kết nốikhẩn cấp tạm thời Ví dụ thiết lập kết nối băng GSM sử dụng điểm truy cập WLAN Trang 33 Chương 4: Ứng dụng vô tuyến nhận thức Hình 4.1 Ứng dụng vô tuyến nhận thức thói quen người dùng 4.4 Cứu hỏa Cứu hỏa đóng vai trò quan trọng việc giải thảm họa: cháy nhà, cháy rừng Nói chung lính cứu hỏa phải làm việc môi trường thay đổi liên tục thông tin phải cập nhật liên tục Chẳng hạn thảm họa cháy rừng thông tin cần thiết nhiệt độ, tốc độ gió hướng gió, số lượng lính cứu hỏa Vô tuyến nhận thức thiết lập kết nối hiệu tùy vào điều kiên kênh truyền (sức gió, độ nóng, độ ẩm) nhằm trì việc trao đổi thông tin lính cứu hỏa phận huy 4.5 Chống tội phạm Các thông tin liên quan đến tội phạm quan trọng trình điều tra phải mang tính bảo mật Vô tuyến nhận thức giúp việc trao đổi thông tin cách nhanh chóng mang tính bảo mật cao, ngăn chặn người dùng không xác thực đánh cắp thông tin Ngoài vô tuyến nhận thức ứng dụng số lĩnh vực công cộng khác 4.6 Điều khiển giao thông Giao thông vấn đề lớn đặc biệt vào cao điểm Trung tâm quản lí giao thông truyền thông tin vị trí giao thông tắc nghẽn, dự đoán đưa đường thay cho người tham gia giao thông nhờ vào hệ thống vô tuyến Trang 34 Chương 4: Ứng dụng vô tuyến nhận thức nhận thức Tại cột đèn báo hiệu giao thông, dựa vào thông tin nhận lưu lượng người hướng để định đèn xanh đỏ sáng 4.7 Y tế Trong tình cấp cứu: xe cấp cứu trang bị hệ thống liên lạc không dây để truyền thông tin bệnh nhân trung tâm điều khiển Những thông tin cần băng thông rộng để truyền tín hiệu thoại video tình trạng bệnh nhân để chẩn đoán đưa phương pháp điều trị kịp thời Do vô tuyến nhận thức ứng dụng nhằm đảo bảo nhanh chóng, thông suốt tin cậy thông tin Công nghệ y sinh: Công nghệ gắn thiết bị điện tử vào thể người để thay số phận báo cáo thông tin cần thiết Vô tuyến nhận thức có khả năg phát mô bất thường hay tế bào máu thể người báo cáo cho bác sĩ Nó đóng vai trò quan trọng việc cứu người Trợ giúp cho người mù: Vô tuyến nhận thức đóng vai trò đôi mắt người mù Nó nhận thông tin khu vực an toàn để đi, thời gian an toàn để băng qua đường đường từ nhà đến công sở hay nơi khác.Từ đưa dẫn đường cho người mù 4.8 Môi trƣờng Dự báo thời tiết: Mạng lưới cảm biến dược dùng để phát thông số thời tiết nhiệt độ, tốc độ gió, áp suất không khí, độ ẩm thời gian dài Nếu chúng trang bị khả nhận thức, chúng liên lạc qua lại mà không cần can thiệp người Bằng cách cảm biến phát hiện, thu thập, chia sẻ thông tin để tối ưu hóa hoạt động Sau thu thập đầy đủ, liệu gửi trung tâm điều khiển cảm biến gần để tối ưu công suất sử dụng, mạng sử dụng thời gian trễ Kiểm soát ô nhiễm không khí: phát tạp chất không khí ưu tiên để bảo vệ sức khỏe người Vô tuyến nhận thức ước lượng thông minh tạp chất không khí, truy xuất liệu liên quan đến ô nhiễm báo động mức Trang 35 Chương 4: Ứng dụng vô tuyến nhận thức độ ô nhiễm vượt qua giới hạn cho phép Mức ngưỡng vô tuyến nhận thức điều chỉnh phụ thuộc vào yếu tố khác Hiện tượng nóng lên toàn cầu: đề tài nóng giới đại nơi mà môi trường bị ô nhiễm phát triển công nghiệp, giao thông… Kết trái đất ngày nóng lên làm tan băng hai cực làm tăng mực nước biển đe dọa sống nhiều sinh vật Để tính toán tình thảm khốc thiết lập biện pháp phòng ngừa Do cần theo dõi đường thay đổi địa lí thời tiết cách sử dụng thiết bị tự điều khiển báo cáo liệu trung tâm vô tuyến nhận thức 4.9 Quân đội Một ứng dụng tiềm mạng Vô tuyến thông minh môi trường vô tuyến quân đội Các mạng Vô tuyến thông minh cho phép vô tuyến quân đội lựa chọn băng tần số trung tần (IF), sơ đồ điều chế sơ đồ mã hóa tùy ý, thích ứng với môi trường vô tuyến biến đổi chiến trường Các mạng quan đội cần bảo mật cao bảo vệ thông tin môi trường có địch Các mạng Vô tuyến thông minh cho phép nhân viên quân đội thực chuyển giao phổ để tìm băng phổ an toàn cho họ phe đồng minh họ 4.10 Kết luận chƣơng Vô tuyến nhận thức có khả ứng dụng rộng tãi nhiều lĩnh vực, mở lĩnh vực nghiên cứu rộng rãi với nhiều hướng Vô tuyến nhận thức giúp giải nhiều vấn đề tồn hệ thống vô tuyến nay, đặc biệt khan phổ tần số Trang 36 Chương 5: Mô cảm biến lượng CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG CẢM BIẾN NĂNG LƢỢNG 5.1 Giới thiệu chƣơng Để hiểu rõ lý thuyết cảm biến phổ vô tuyến nhận thức, vào mô phương pháp cảm biến phổ Từ kết mô kiểm chứng lại nghiên cứu lý thuyết chương 5.2 Cảm biến định sử dụng phổ Quá trình dò tìm định sử dụng dải phổ trống vô tuyến nhận thức mô sau Vô tuyến nhận thức quan sát dải băng tần từ 0-6 KHz Trong dải băng tần có tín hiệu PU hoạt dộng với tần số sóng mang Fc 1KHz, 2KHz, 3KHz, 4KHz, 5KHz Xét trường hợp dải phổ bị đầy PU hình 10.1 Khi đó, CR cảm biến khoảng phổ tần số dải băng tần Sau cảm biến phổ, đưa kết kho ảng phổ trống dải băng tần quan sát Do định không sử dụng khoảng phổ để tránh gây nhiễu lên PU Power Spectral Density 10 Power/frequency (dB/Hz) -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 Frequency (kHz) Hình 5.1 Trường hợp dải phổ bị đầy Trang 37 Chương 5: Mô cảm biến lượng Trong trường hợp dải phổ bị lấp đầy, hệ thống tiếp tục cảm biến đến phát trống phổ chèn người dùng CR vào vị trí trống Power Spectral Density 10 Power/frequency (dB/Hz) -5 -10 -15 -20 -25 -30 Frequency (kHz) Hình 5.2 Quá trình cảm biến sử dụng phổ CR 5.3 Phƣơng pháp cảm biến dựa vào lƣợng Chất lượng phát lượng đặc trưng đồ thị biểu diễn mối quan hệ xác suất phát trung bình Pd SNR tín hiệu ứng với Trang 38 Chương 5: Mô cảm biến lượng giá trị xác suất cảnh báo sai định Ứng với mức SNR có xác suất phát Pd and SNRdB 1.1 0.9 0.8 Pd 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -20 -15 -10 -5 SNRdB 10 Hình 5.3 Mối quan hệ Pd SNR Để đánh giá chất lượng phương pháp cảm biến lượng, việc thể đường cong đặc tính Pd SNR phải quan tâm tới đường đặc tính máy thu: đường thể mối quan hệ Pd Pf ứng với giá trị SNR định Mô với mức SNR =-5, cho ta thấy: muốn tăng Pd đồng thời ta phải trả giá việc tăng Pf SNR=-5 Pd 10 -1 10 10 Pf Hình 5.4 Mối quan hệ Pd Pf với SNR= -5dB Trang 39 Chương 5: Mô cảm biến lượng Chúng ta tiếp tục xem xét quan hệ Pd Pf theo mức ngưỡng Với kết mô cho ta thấy giảm mức ngưỡng Pd tăng lên đồng thời xác suất P f tăng lên theo Từ đặt toán bạn cần chọn mức ngưỡng để xác suất Pd lớn Pd, Pf and Threshold Pd Pf 0.9 0.8 0.7 Pd & Pf 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1.5 2.5 3.5 Decision Threshold 4.5 Hình 5.5 Mối quan hệ Pd Pf với mức ngưỡng 5.4 Kết luận chƣơng Chúng ta thực mô trình cảm biến lượng hệ thống vô tuyến nhận thức, nhận xét đánh giá số kết mô Trong giới hạn đồ án khả tìm hiểu nhóm thực mô phương pháp để có đánh giá khái quát lý thuyết thực trước Trang 40 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Vo tuyến nhận thức lĩnh vực vô mẻ, mang lại lợi cao đưa vào ứng dụng Trong phạm vi đồ án chuyên ngành, chúng em tìm hiểu nguyên lý hệ thống, thực mô phương pháp trình cảm biến phổ Trong trình làm thực đồ án không tránh khỏi khó khăn, chủ quan lẫn khách quan: mẻ đề tài, hạn chế kiến thức cá nhân Quá trình phát triển vấn đề thiếu hụt phổ tần số làm cho việc cải thiện hệ thống vô tuyến điều cần thiết Vô tuyến nhận thức đời có hướng phát triển mạnh mẽ Với đề tài này, phát triển hoàn thiện mô phương pháp có phát triển phương án Thực mô toàn mạng vô tuyến nhận thức Đồng thời, nghiên cứu đưa hệ thống vô tuyến nhận thức vào thực tế điều thiết yếu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ekram Hossain, Dusit Niyato & Zhu Han (2009) Dynamic Spectrum Access and Management in Cognitive Radio Networks Cambridge University Press [2] Ian F Akyildiz, Won-Yeol Lee, Mehmet C Vuran, Shantidev Mohanty (2006) NeXt generation/dynamic spectrum access/cognitive radio wireless networks: A survey [3] Yonghong Zeng and Ying-Chang Liang (2007) Covariance Based Signal Detections For Cognitive Radio IEEE [4] Zhi Quan, Shuguang Cui, H Vincent Poor, and Ali H Sayed (2008) Collaborative Wideband Sensing for Cognitive Radios IEEE [5] Huseyin Arslan (2007) Cognitive Radio, Software Defined Radio, and Adaptive Wireless Systems Springer [6] Anant Sahai and Danijela Cabric (DySPAN 2005) Cyclostationary Feature Detection Berkeley Wireless Research Center [...]... cho người dùng Vô tuyến nhận thức giải quyết tốt vấn đề phổ tần bị để trống trong những khoảng thời gian và vị trí mà người dùng không sử dụng Trang 18 Chương 3: Cảm biến phổ vô tuyến nhận thức CHƢƠNG 3: CẢM BIẾN PHỔ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 3.1 Giới thiệu chƣơng Việc cảm biến phổ là nhiệm vụ thiết yếu của mạng vô tuyến nhận thức, nó cho phép người dùng thứ 2 có thể phát hiện ra khoảng phổ trống và có cơ... truyền thống, hệ thống IEEE 802.22 cung cấp máy cảm biến băng tần thô và cảm biến tinh như hình: Hình 3.1Cơ chế cảm biến thô và tinh Để cải thiện hệ thống cho phù hợp Cảm biến nhanh ( hay gọi là cảm biến thô), ví dụ như cảm biến năng lượng, thì thực hiện trong thời gian ngắn để giảm sự gián Trang 19 Chương 3: Cảm biến phổ vô tuyến nhận thức đoạn trong truyền dữ liệu Kết quả của sự cảm biến này được... định gửi về cho bộ nhận chung mà không cần tác động nhiều đến quá trình cảm biến phổ Đó là nhờ việc loại bỏ không truyền những quyết định cảm biến phổ không đáng tin cậy về cho bộ nhận chung 3.7 Kết luận chƣơng Với việc tìm hiểu các phương pháp cảm biến phổ trong hệ thống vô tuyến nhận thức đã đưa ra cho chúng ta cách nhìn nhận về cách thức làm việc của hệ thống Đây là những kiến thức nền tảng giúp... hệ thống hồi tiếp vòng kín 2.6 Vô tuyến định nghĩa mềm (SDR) cho hệ thống vô tuyến nhận thức Đặc điểm chính của vô tuyến nhận thức là khả năng thích nghi với nơi mà các thông số vô tuyến (bao gồm tần số, công suất, điều chế, băng thông) có thể thay đổi phụ thuộc vào môi trường vô tuyến, hoàn cảnh sử dụng, điều kiện mạng, vị trí địa lí Vô tuyến định nghĩa mềm (SDR) có thể cung cấp một số chức năng vô. .. và có cơ hội để tận dụng những khoảng tần số này mà không ảnh hưởng gì đến hệ thống trên.Vì vậy cảm biến là chìa khóa kỹ thuật trong cognitive radio Vấn đề cảm biến phổ này được trình bày cụ thể trong chương này 3.2 Cảm biến phổ Trong hệ thống 802.22,cả BS và CPE thực hiện cảm biến kênh theo chu kì Bởi vì cảm biến kênh có thể ở trong khoảng băng hay ngoài khoảng băng nên có 2 giao diện được yêu cầu tại... tuyến nhận thức Cảm biến phổ tần có nhiệm vụ xác định tần số nào đang được sử dụng bởi các user chính, phổ tần nào đang trống Từ đó bộ thích nghi CR thay đồi các thông số phát sao cho đạt được hiệu suất phổ cao nhất Vì vậy, việc cảm biến và phân tích phổ tần là bước quan trọng đầu tiên trong quản lý truy nhập phổ động Trang 15 Chương 2: Cognitive radio – vô tuyến nhận thức Kỹ thuật cảm biến phổ tần trong. .. pháp Matched filter đòi hỏi mỗi hệ thống CR cần phải có một máy thu chuyên dụng cho mỗi dạng tín hiệu phát ra Trang 25 Chương 3: Cảm biến phổ vô tuyến nhận thức 3.6 Cảm biến phổ kết hợp (Cooperation spectrum sensing) 3.6.1 Giới thiệu Hình 3.2 Hệ thống cảm biến phổ kết hợp Các bước thực hiện CSS có thể được liệt kê dưới đây :  Bước 1: Mỗi một CR thực hiện việc cảm biến phổ một cách độc lập và sau đó... rằng vô tuyến thông minh chỉ phát tín hiệu ở những tần số hiện không bị chiếm dụng 2.8 Quản lý phổ 2.8.1 Cảm biến và phân tích phổ tần Một trong những yếu tố quan trọng của vô tuyến nhận thức đó là khả năng đo đạc, nhận biết các thông số về đặc tính kênh truyền, phổ tần có sẵn, công suất, các chính sách của môi trường vô tuyến xung quanh Vì vậy cảm biến phổ tần là một kỹ thuật quan trọng làm nên vô tuyến. .. có thể cung cấp một số chức năng vô tuyến linh hoạt bằng các tránh sử dụng các bộ phận và mạch tương tự cố định Vì vậy vô tuyến nhận thức được thiết kế dựa trên SDR hay nói cách khác SDR là công nghệ lõi cho vô tuyến nhận thức Theo đó, thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDR (Software Defined Radio) sẽ là một phần tử quan trọng trong hệ thống vô tuyến nhận thức Các tham số của thiết bị SDR được... khi có cơ hội Mạng Vô tuyến nhận thức có thể hoặc không gồm mạng có cơ sở hạ tầng và mạng ad hoc, các user, các thành phần của mạng Vô tuyến nhận thức như sau:  Người dùng Vô tuyến nhận thức: Người dùng CR(hay người dùng không được cấp phép, người dùng thứ cấp) không có giấy phép sử dụng phổ Do đó, cần có các chức năng cộng thêm để chia sẻ băng phổ cấp phép  Trạm gốc Vô tuyến nhận thức: Trạm gốc CR(hay ... Vô tuyến nhận thức giải tốt vấn đề phổ tần bị để trống khoảng thời gian vị trí mà người dùng không sử dụng Trang 18 Chương 3: Cảm biến phổ vô tuyến nhận thức CHƢƠNG 3: CẢM BIẾN PHỔ VÔ TUYẾN NHẬN... trình cảm biến phổ Đó nhờ việc loại bỏ không truyền định cảm biến phổ không đáng tin cậy cho nhận chung 3.7 Kết luận chƣơng Với việc tìm hiểu phương pháp cảm biến phổ hệ thống vô tuyến nhận thức. .. công nghệ vô tuyến nhận thức, kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức ứng dụng Các công trình có cảm biến phổ xem xét vấn đề quan trọng việc phân bổ phổ tần động 2.2 Khái niệm vô tuyến nhận thức -