Nghiên cứu hệ thống cognitive radio và ứng dụng

Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG MỤC LỤC: LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ PHẦN MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 1.1 Giới thiệu chƣơng 1.2 Định nghĩa vô tuyến nhận thức 1.3 Hoạt động vô tuyến nhận thức 1.4 Các chức mạng vô tuyến nhận thức 1.4.1 Cảm biến phổ 1.4.2 Quản lý phổ 1.4.3 Dịch chuyển phổ 11 1.4.4 Chia sẻ phổ 11 1.5 Kiến trúc vật lí vô tuyến nhận thức 13 1.6 Mô hình thực vô tuyến nhận thức 16 1.6.1 Vô tuyến định nghĩa phần mềm 16 1.6.2 Mô hình thực vô tuyến nhận thức 17 Kết luận chƣơng 23 1.7 CHƢƠNG CẢM BIẾN PHỔ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 24 2.1 Giới thiệu chƣơng 24 2.2 Kỹ thuật cảm biến phổ: Khó khăn thách thức 24 2.2.1 Yêu cầu phần cứng 25 2.2.2 Hiện tƣợng đầu cuối ẩn 25 2.2.3 Phát tín hiệu trải phổ 26 2.2.4 Lựa chọn tần số thời gian cảm biến 26 2.2.5 Tính di động 27 2.2.6 Bảo mật 28 Các kỹ thuật cảm biến/Cảm biến phổ 28 2.3 2.3.1 Phát máy phát sơ cấp 28 2.3.2 Cảm biến hợp tác 34 2.3.3 Phát máy thu sơ cấp 39 2.3.4 Quản lý nhiệt độ nhiễu 42 Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG Cơ cấu cảm biến phổ tối ƣu 44 2.4 2.4.1 Mô hình hệ thống 46 2.4.2 Tối ƣu tham số cảm biến cho dải tần 48 2.4.3 Lập lịch lựa chọn phổ nhiều dải tần 54 2.4.4 Hợp tác thích nghi mạng đa ngƣời dùng 57 Kết luận chƣơng 60 2.5 CHƢƠNG KỸ THUẬT DÒ NĂNG LƢỢNG TRONG CẢM BIÊN PHỔ 61 3.1 Giới thiệu chƣơng 61 3.2 Thuật toán dò lƣợng 61 3.3 Các tham số thuật toán dò lƣợng kênh AWGN 65 3.3.1 Xác xuất phát – Pd 65 3.3.2 Xác suất cảnh báo sai – Pf 66 3.4 Mô hình xấp xỉ 66 3.5 Mô thuật toán dò lƣợng kênh truyền nhiễu trắng 67 3.5.1 Mô xác suất phát tín hiệu theo tỷ số tín hiệu tạp âm 67 3.5.2 Mô xác suất phát tín hiệu theo xác suất cảnh bảo sai (ROC) 68 3.5.3 Mô phục thuộc Pd xác Pf với giá trị định 69 Kết luận chƣơng 70 3.6 CHƢƠNG ỨNG DỤNG CỦA VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 72 4.1 Giới thiệu chƣơng 72 4.2 Ứng dụng vô tuyến nhận thức 72 4.2.1 Các mạng lƣới thông minh (Smart Grid Networks) 72 4.2.2 Mạng an ninh công cộng (Public Safety Networks) 75 4.2.3 Mạng tế bào (Cellular Networks) 78 4.2.4 Mạng y tế không dây (Wireless Medical Networks) 81 4.3 Kết luận chƣơng 84 KẾT LUẬN 85 PHỤ LỤC 1: CODE MÔ PHỎNG MATLAB 87 PHỤ LỤC 2: TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 DANH SÁCH CHÚ THÍCH HÌNH VẼ 93 Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn công trình nghiên cứu cá nhân, đƣợc thực dƣới hƣớng dẫn khoa học Tiến sĩ Đặng Quang Hiếu Các số liệu nhƣ kết luận nghiên cứu đƣợc trình bày luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố dƣới hình thức Tôi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Học viên Nguyễn Thanh Bình NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt A/D Analog/Digital Tƣơng tự/Số AGC Automatic Gain Control Bộ điều khiển độ lợi tự động AS Adaptive System Hệ thống thích nghi AWGN Additive white Gaussian noise Nhiễu trắng cộng Gaussian BS Base Station Trạm gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CR Cognitive Radio Vô tuyến nhận thức CRN Cognitive Radio Mạng vô tuyến nhận thức CSD Cyclic Spectral Density hàm mật độ phổ tuần hoàn D/A Digital/Analog Số/Tƣơng tự DFS Dynamic Frequency Selection Lựa chọn tần số động DSA Dynamic Spectrum Access Truy cập phổ động DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số ED Energy Detection Dò lƣợng FCC Federal Communications Ủy ban truyền thông Hoa Kỳ Commission FEC Forward Error Correction IEEE Institute of Electrical Sửa lỗi trƣớc and Viện kỹ nghệ điện điện tử Electronics Engineers IPD Incumbent Profile Detection Bộ phát thông tin hoạt động thuê bao đƣợc cấp phép Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG LAN Local Area Network Mạng nội LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếc đại tạp âm thấp LO Local Oscillator Bộ dao động nội MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập MF Matched Filtering Lọc phối hợp MIMO Multi-Input Multi-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số Multiplexing trực giao PN Primary Network Mạng sơ cấp PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha PU Primary User Ngƣời dùng sơ cấp QoS Quanlity of Service Chất lƣợng dịch vụ RF Radio Frequency Tần số vô tuyến ROC Receiver Operating Characteristic Đặc tính thu phát SCF Spectral Cyclic Function Hàm chu kì phổ SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm SDR Software Defined Radio Vô tuyến định nghĩa phần mềm TPC Transmit Power Control Điều khiển công suất phát UWB Ultra Wide Band Băng siêu rộng VCO Voltage-Controlled Oscillator Bộ dao động điều khiển điện áp WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WLAN Wireless LAN Mạng nội không dây Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1: Minh họa hố phổ [1] Hình 2: Các hoạt động mạng vô tuyến nhận thức Hình 3: Các chức giao tiếp mạng vô tuyến nhận thức [1] Hình 4: Phân loại công nghệ chia sẻ phổ tần 12 Hình 5: Kiến trúc vật lí vô tuyến nhận thức [1] .14 Hình 6: Cấu trúc tổng quát thu phát SDR 17 Hình 7: So sánh hệ thống vô tuyến thông thƣờng, SDR CR 18 Hình 8: Quan hệ vô tuyến nhận thức SDR .18 Hình 9: Sơ đồ khối thực vô tuyến nhận thức dựa SDR 20 Hình 10: Kiến trúc phân lớp tổng quát cho vô tuyến nhận thức [1] .21 Hình 1: Hiện tƣợng đầu cuối ẩn [1] 26 Hình 2: Mô hình phát máy phát sơ cấp [1] 29 Hình 3: Sơ đồ thực dò lƣợng [2] 31 Hình 4: Phân tích đặc tính dừng chu kỳ tín hiệu 33 Hình 5: Ngƣời dùng vô tuyến nhận thức gây nhiễu máy thu sơ cấp [3] 34 Hình 6: Cảm biến hợp tác môi trƣờng fading shadowing [3] 35 Hình 7: Cảm biến hợp tác tập trung [3] 36 Hình 2.8: Cảm biến hợp tác phân tán [3] 38 Hình 9: Cảm biến hợp tác hỗ trợ chuyển tiếp [3] 39 Hình 10: Phát máy thu sơ cấp [3] 40 Hình 11: Kiến trúc máy thu đổi tần 41 Hình 12: Cấu trúc cảm biến phổ theo chu kỳ 45 Hình 13: Cấu trúc tổng thể cấu cảm biến phổ tối ƣu 47 Hình 14: Tối ƣu thời gian truyền dẫn thời gian quan sát [4] 53 Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG Hình 15: Mối quan hệ hiệu suất truyền dẫn tham số tối ƣu [4] 54 Hình 1: Sơ đồ thuật toán thực dò lƣơng [2] 61 Hình 2: Đồ thị xác suất phát tín hiệu theo tỷ số tín hiệu tạp âm 68 Hình 3: Đƣờng ROC thuật toán dò lƣợng kênh truyền AWGN 69 Hình 4: Sự phụ thuộc Pd Pf vào giá trị ngƣỡng định 70 Hình 1: Mạng lƣới thông minh [5] 74 Hình 2: Mạng an ninh công cộng [5] 77 Hình 3: Mạng di động tế bào [5] 79 Hình 4: Mạng y tế cá nhân [5] 83 Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỞ ĐẦU Ngày nay, với bùng nổ công nghệ, điện thoại thông minh, mạng xã hội, nhu cầu chia sẻ liệu, hình ảnh, video… gia tăng nhanh chóng gây áp lực lớn lƣu lƣợng hệ thống truyền tải Cùng với việc dải tần ngày bị thu hẹp nhiều dịch vụ đƣợc cấp phép dẫn đến yêu cầu phải tận dụng tối đa tài nguyên phổ tần số Hiện tại, hệ thống thông tin vô tuyến đƣợc áp dụng sách cấp phát tần số cố định Theo đó, ứng dụng khác đƣợc cấp phép với dải tần số (băng thông) đƣợc hoạch định sẵn quan quy hoạch phổ tần Quốc gia Việc cấp phép dải tần cố định đảm bảo ngƣời dùng dịch vụ dải tần không gây can nhiễu đến ngƣời dùng dải tần khác Tuy có nhiều ƣu điểm nhƣng nhƣợc điểm lớn phƣơng pháp cấp phát tần số cố định không tận dụng đƣợc tối đa tài nguyên băng thông Theo Ủy ban truyền thông liên bang Hoa Kì – FCC hiệu suất sử dụng dải tần số đƣợc cấp phép khoảng 15-85% phổ tần khả dụng Điều đặt yêu cầu cấp thiết phát triển công nghệ vô tuyến có khả nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần, tránh lãng phí tài nguyên tần số Công nghệ Cognitive Radio (vô tuyến nhận thức) đƣợc phát triển để đáp ứng nhu cầu Hệ thống vô tuyến nhận thức kỹ thuật riêng khai thác dải thông có thời điểm bị bỏ trống để cung cấp băng thông cho dịch vụ vô tuyến thông qua kiến trúc mạng tiên tiến, mềm dẻo khả truy cập phổ tần linh hoạt Vô tuyến nhận thức hoạt động hệ thống vô tuyến đƣợc định nghĩa phần mềm hứa hẹn công nghệ đầy triển vọng, phù hợp với tiến trình phát triển hệ thống thông tin vô tuyến Luận văn tập trung nghiên cứu mạng vô tuyến nhận thức đặc biệt sâu vào kỹ thuật cảm biến phổ (kỹ thuật quan trọng vô tuyến nhận thức) Luận văn làm rõ đƣợc nhìn tổng quát mạng vô tuyến nhận thức kỹ thuật cảm biến phổ Kỹ thuật cảm biến phổ dựa phƣơng pháp dò lƣợng đƣợc trình bày cụ thể Những thông số kỹ thuật dò lƣợng đƣợc mô phần mềm Matlab giúp kiểm chứng đƣợc tính đắn lý Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG thuyết Phần cuối đề cập đến ứng dụng vô tuyến nhận thức hệ thống vô tuyến Do nội dung đề tài vấn đề với thời gian kiến thức hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai sót Tôi mong đƣợc đánh giá, nhận xét góp ý Thầy cô để luận văn hoàn thiện Tôi xin trân trọng cảm ơn TS Đặng Quang Hiếu định hƣớng, giúp đỡ tận tình suốt trình thực luận văn Xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày 17 tháng 03 năm 2014 Học viên Nguyễn Thanh Bình Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG CHƢƠNG TỔNG QUAN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 1.1 Giới thiệu chƣơng Vô tuyến nhận thức công nghệ mang đến thay đổi mang tính cách mạng việc sử dụng tài nguyên phổ tần số Công nghệ vô tuyến nhận thức đƣợc thiết kế nhằm nâng cao hiệu sử dụng phổ tần, ngƣời dùng vô tuyến nhận thức có khả sử dụng dải tần chia sẻ mà không gây nhiễu tới ngƣời dùng đƣợc cấp phép Vô tuyến nhận thức cho phép thiết bị đầu cuối cảm biến sử dụng cách linh hoạt phổ tần sẵn có thời điểm định Chƣơng đề cập nhìn tổng quan công nghệ vô tuyến nhận thức, khái niệm, đặc tính nhƣ hoạt động vô tuyến nhận thức 1.2 Định nghĩa vô tuyến nhận thức Vô tuyến nhận thức công nghệ mới, định nghĩa “Vô tuyến nhận thức” đƣợc cá nhân tổ chức giới nhìn nhận theo nhiều cách khác Một định nghĩa hệ thống thích nghi – AS đƣợc giới thiệu quy định vô tuyến cách thập kỷ Các hệ thống thích nghi đƣợc định nghĩa có khả tự thay đổi thông số, có tần số công suất để tăng cƣờng chất lƣợng thu Hiện nay, hệ thống nhƣ bị giới hạn băng tần trung cao, điều kiện truyền dẫn thay đổi nhiều Các quy định quản lý khả thi cho hệ thống thích nghi hạn chế hoạt động hệ thống băng dịch vụ dành cho an ninh nhƣ dịch vụ thiên văn học vô tuyến, xác định vô tuyến, dịch vụ nghiệp dƣ quảng bá Cùng với phát triển công nghệ, khả hệ thống thích ứng đƣợc cải thiện Phần mềm đóng vai trò quan trọng khía cạnh ngày khả thi việc phân tích môi trƣờng vô tuyến điều chỉnh thông số hệ thống theo môi trƣờng Chẳng hạn việc kết hợp thiết bị vô tuyến phần mềm mang lại hƣơng giải vấn đề nghẽn tần số tăng cƣờng hiệu việc sử dụng tần số Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG việc thêm vào dải phổ tần số cho ứng dụng băng rộng mạng tế bào Có nhiều báo nghiên cứu ứng dụng cảm biến phổ hay chia sẻ phổ mạng tế bào Hình 4.3 mô tả thức công nghệ vô tuyến thông minh bổ sung cho mạng di động tế bào hệ nhƣ LTE hay WiMAX để truy nhập động dải phổ hay phần backhaul mạng khác: Hình 3: Mạng di động tế bào [5] Một khoảng phổ hợp tác đƣợc thêm vào lớp không truy cập (NonAccess Stratum – NAS) cho phép mạng tế bào tự động thuê khoảng phổ nhận dạng hội từ dải tần không đăng kí thứ cấp để đáp ứng nhu cầu lƣu lƣợng mạng Những trạm gốc (bao gồm trạm chuyển tiếp) thực việc cấu hình kênh để hoạt động vùng phổ hợp tác 79 Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG Để truy cập vào ứng dụng mạng sử dụng hai phƣơng pháp sau Thứ dùng hotspot nhƣ điểm truy cập sân vận động, sân bay hay nơi có mật độ ngƣời dùng lớn (ví dụ sân vận động, nơi có mật độ ngƣời dùng cực lớn với điện thoại thông minh có máy ảnh camera Lƣu lƣợng thoại, liệu khu vực lớn gây áp lực cho mạng tế bào) Theo nghiên cứu Cisco 60% tăng trƣởng lƣu lƣợng mạng tập trung vào liệu ảnh video Ngày nay, số loại liệu đƣợc upload đến mạng Wifi ISM Tuy nhiên, lƣợng lớn lƣu lƣợng tập trung khu vực nhỏ dẫn đến mạng tế bào nhƣ mang Wifi ISM bị tải Nếu lƣu lƣợng đột biến đƣợc upload thông qua dải phổ bổ sung (ví dụ nhƣ TVWS), giảm thiểu đƣợc lƣu lƣợng truyền tải qua mạng tế bào Điều vừa có lợi cho thuê bao vừa có lợi cho nhà mạng Phƣơng pháp truy cập thứ hai vào dịch vụ mạng tƣơng tự nhƣ femtocell Ngày nay, nhiều nhà mạng bán trạm mini-cell (kiểu nhƣ điểm truy cập Wifi) để ngƣời dùng mua lắp đặt hộ họ Những ngƣời dùng điển hình femtocell thuê bao nơi sử dụng chất lƣợng phủ sóng mạng không tốt Những thiết bị femtocell hoạt động tần số giống nhƣ nhà vận hàng mạng Tuy nhiên, thiết bị femtocell lại gặp số vấn đề Đầu tiên, femtocell mạng tế bào hoạt động dải tần dẫn đến can nhiễu lẫn ảnh hƣởng đến chất lƣợng mạng Thứ hai, vùng phủ thiết bị bị giới hạn Vùng phủ khoảng trắng vô tuyến có ý nghĩa đặc biệt việc cải thiện tốt đặc tính thêm vào không xảy can nhiễu femtocell cell Ở vùng nông thôn, nơi mật độ dân số không lớn, thƣờng tín hiệu mạng tế bào Vì lý kinh tế nên nhà mạng phát triển dịch vụ nƣớc nhƣng không ƣu tiên cho vùng Với khoảng phổ tần trắng, cho phép ngƣời sử dụng không đăng kí truy cập, nhà mạng sử dụng khoảng phổ cho backhaul để kết nối trạm tới mạng xƣơng sống Do đó, giảm mạnh nhân 80 Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG công lắp đặt cáp backhaul cung cấp dịch vụ đến ngƣời dùng vùng chƣa đƣợc phục vụ đƣợc phục vụ 4.2.4 Mạng y tế không dây (Wireless Medical Networks) Trong vài năm gần phƣơng tiện giám sát bệnh nhân bệnh viện: nhiệt độ, huyết áp, hàm lƣợng oxy máu điện tâm đồ gia tăng nhanh chóng Thông thƣờng, thống số đƣợc giám sát cảm biến đặt thể ngƣời bệnh sau đƣợc kết nối với hình hiển thị đặt giƣờng bệnh Mạng y tế không dây dải pháp truyền thông hứa hẹn bệnh viện Hệ thống cho phép cảm biến có độ tin cậy cao tổng hợp thông tin liên tục chuyển tiếp tới trung tâm điều hành mạng không dây, ngƣời giám sát có định xử lý nhanh chóng Mạng y tế không dây ứng dụng giám sát bệnh nhân hệ thống tiên tiến giúp cải thiện kết nhƣ giảm thiểu giá thành điều trị Mạng đƣợc mở rộng cho nhiều bênh viện Bằng việc giải phóng hệ thống có dây nhân viên y tế hỗ trợ giúp giảm thiểu rủi ro ý tế liên quan đến trình điều trị bệnh nhân Thêm vào đó, mạng y tế không dây giúp bênh nhân thuận tiện hơn, thoải mái hơn, cải thiện hiệu điều trị Chất lƣợng dịch vụ yếu tố mạng y tế không dây, yêu cầu dải phổ tần số hoạt động phải “sạch” không đông đúc Ở Mỹ, MedRadio WMTS chuyên dụng cho dịch vụ y tế nhƣng băng thông bị giới hạn Băng tần IMS 2.4GHz không phù hợp cho dịch vụ y tế liên quan đến sức khỏe sực can nhiễu xung đột từ mạng IT không dây bệnh viện Bằng việc có đƣợc dải tần 2360-2400 MHz cho mạng y tế không dây tuyến thứ cấp, chất lƣợng dịch vụ cho ứng dụng giám sát liên quan đến sức khỏe đƣợc đảm bảo tốt Hơn dải tần 2360-2400 nằm băng 2400 nên nhiều thiết bị hoạt động dễ dàng đƣợc sử dụng lại cho mạng y tế không dây, ví dụ nhƣ vô tuyến IEEE 802.15.4 Điều giúp giảm chi phí triển khai tính kinh tế việc mở rộng hệ thống, dẫn đến việc triển khai rộng rãi mạng y tế không dây cho dịch vụ chăm sóc sức khỏe ngƣời bệnh 81 Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG Truyền thông mạng y tế không dây bị giới hạn liệu truyền dẫn (không bao gồm thoại) phục vụ giám sát, chuẩn đoán bệnh nhân Hoạt động mạng y tế không dây cung cấp dịch vụ dƣới dạng license (cấp phép) qui tắc Mạng đề xuất phân chia dải thông 2360-2400 thành hai băng: băng 1từ 2360-2390 băng từ 2390-2400 Trong băng 2360-2390 MHz, mạng y tế không dây hoạt động hạn chế nhà dùng cho phƣơng tiện chăm sóc sức khỏe nằm tầm phủ sóng dịch vụ ATM Trong băng 2390-2400MHz, mạng y tế không dây đƣợc cấp phép hoạt động nơi, tất bệnh viện, nhà hay xe cấp cứu di động Một giao thức kết nối không giới hạn nhƣ LBTđƣợc đề xuất cho việc truy cập kênh truyền Băng thông lớn thiết bị mạng y tế không dây lên đến 5MHz Công suất phát lớn không đƣợc vƣợt 1mW 10logB dBm (trong đó, B 20dB băng thông) dải 2360-2390 không 20mW dải tần 2390-2400 Duty cycle tối đa mạng không vƣợt 25% Vùng địa lý bảo vệ với thiết bị khóa điện tử (Electronic key – ekey) dùng để giới hạn truyền dẫn mạng Thiết bị điều khiển khóa điện tử sử dụng để đảm bảo thiết bị mạng y tế không dây truy cập dải thông 2360-2390 khu vực sử dụng mạng nằm vùng phủ sóng mạng ATM Hình 4.4 mô tả giải pháp dịch vụ bệnh viện sử dụng băng 2360-2390 MHz: 82 Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG Hình 4: Mạng y tế cá nhân [5] Một số bệnh viện có kế hoạch sử dụng dải tần số ATM cho dịch vụ y tế không dây đƣợc đăng kí nhƣ mạng y tế không dây hợp tác Mạng y tế không dây hợp tác xác định bệnh viện đƣợc đăng kí có hay không nằm vùng bảo vệ mạng ATM (có thể hợp tác với ngƣời dùng sơ cấp) Nếu bênh viện nằm vùng bảo vệ, mạng y tế hợp tác sử dụng e-key đặc biệt cho bệnh viện để cấp dịch vụ y tế không dây cho thiết bị truy cập vào vùng phổ tần số ATM Nếu e-key thiết bị truy cập vào dải mặc định 2390-2400 MHz Sự phân phối e-key cho thiết bị y tế không dây đƣợc kết nối đến mạng IT bệnh viện cách tự động qua đƣờng kết nối dây không dây Các thiết bị y tế không dây phải nhận biết dừng việc truyền nhận tín hiệu dải ATM 2360-2390 MHz thiết bị di chuyển Một cảm biến mạng kết nối với Hub, thiết bị nhận dừng kết nối dải phổ ATM 2360-2390 MHz chuyển sang dải 2390-2400 MHz Dải tần 2390-2400 MHz đƣợc sử dùng nơi, không hạn chế không cần e-key Mô 83 Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG công nghệ hoạt động tốt để tránh can nhiễu lên mạng ATM trì toàn vộ dịch vụ mạng vô tuyến không dây 4.3 Kết luận chƣơng Chƣơng tìm hiểu ứng dụng thực đƣợc vô tuyến nhận thức thực tiễn thời điểm Có nhiều cột mốc, qui chuẩn kỹ thuật để tiệm cận đến việc cho phép sử dụng hiệu mềm dẻo vùng phổ mở Công nghệ vô tuyến nhận thức đóng vai trò quan trọng tận dụng tốt tài nguyên phổ khan để hỗ trợ dịch vụ không dây phát triển nhanh chóng, ví dụ nhƣ: mạng lƣới thông minh, mạng an ninh công cộng, mạng băng rộng tế bào hay mạng y tế không dây Tổ chức chuẩn hóa phát triển (Standard Development Organizations – SDOs) bắt đầu nghiên cứu tiêu chuẩn để nắm lấy hội Tuy nhiên, nhiều thách thức vô tuyến nhận thức việc cho phép mạng sử dụng chung vùng phổ với dịch vụ khác tránh gây can nhiễu lên ngƣời dùng sơ cấp mạng 84 Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG KẾT LUẬN Sau trình nghiên cứu đề tài, hoàn thành luận văn với kết nhƣ sau: thứ nhất, đƣa đƣợc nhìn tổng quan mạng vô tuyến nhận thức, trình phát triển, trình chuẩn hóa mục tiêu nghiên cứu tƣơng lai Thứ hai, nghiên cứu kỹ thuật quan trọng vô tuyến nhận thức, làm cảm biến phổ Luận văn tìm hiểu, phân loại nhƣ đề cập cách thức để tối ƣu hoạt động cảm biến phổ mạng vô tuyến nhận thức Thứ ba, nghiên cứu phƣơng pháp phổ biến cảm biến phổ kỹ thuật dò lƣợng Cách thực thực kỹ thuật dò lƣợng, mô hình tính toán lý thuyết mô tham số Matlab chứng minh tính đắn lý thuyết Cuối cùng, luận văn cách cụ thể ứng dụng vô tuyến nhận thức hệ thống vô tuyến tƣơng lai Qua giúp có nhìn tổng quát phát triển vô tuyến nhận thức nhƣ hứa hẹn ứng dụng to lớn công nghệ việc tận dụng tài nguyên phổ tần số hạn hẹp Hạn chế đề tài việc tính toán, mô dựa trƣờng hợp đặc biệt kênh truyền AWGN Với kênh truyền phức tạp nhƣ trƣờng hợp thực tế tính toán trở nên khó khăn nhiều Phần ứng dụng vô tuyến nhận thức dừng lại việc trình bày tổng quan chƣa đƣa đƣợc phƣơng pháp cụ thể giúp cải tiến, tối ƣu hoạt động mạng vô tuyến vô tuyến nhận thức Hƣớng phát triển đề tài: tập trung nghiên cứu sâu kỹ thuật cảm biến phổ đặc biệt kỹ thuật dò lƣợng Tính toán, mô kỹ thuật dò lƣợng kênh truyền phức tạp (ví dụ nhƣ fading) Cuối xây dựng hệ thống thực tế qui mô thí nghiệm để kiểm định thông số kỹ thuật dò lƣợng kênh truyền thực tế Qua đó, giúp đƣa kết luận xác 85 Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG hiệu cảm nhận khoảng phổ trống, nhƣ cảm nhận ngƣời dùng sơ cấp kỹ thuật Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn TS Đặng Quang Hiếu giúp đỡ để hoàn thiện luận văn này! 86 Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG PHỤ LỤC 1: CODE MÔ PHỎNG MATLAB Phần 1: Code mô xác xuất phát tín hiệu (Pd ) theo tỷ số tín hiệu tạp âm (SNR) clear all; clc; u = 16; N = 2*u; % So luong mau Pf = 0.1; % Xac suat canh bao sai SNR_dB = -20:10; SNR = 10.^(SNR_dB./10); % Doi SNR sang dB x = [-20:0.05:10]; Packet= 10000; % So lan thuc hien Monter-Carlo for i= 1:length(SNR) Number = 0; for k = 1:Packet t = 1:N; signal = cos(pi*t)+j*sin(pi*t); % Tin hieu tieu chuan px = mean(abs(signal).^2); % Cong suat tin hieu pn = px/SNR(i); % Con suat nhieu = Cong suat tin hieu/SNR noise = sqrt(pn/2)*(randn(1,N)+j*randn(1,N)); % Mo hinh nhieu tren kenh AWGN y = signal + noise; % Tin hieu thu duoc Y(k) = (1/N)*sum(abs(y).^2); % Cong suat tin hieu thu Th = pn*qfuncinv(Pf)/sqrt(N) + pn; % Nguong quyet dinh if Y(k)>Th % So sanh cong suat tin hieu thu va muc nguong 87 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 Number = Number +1; end end Pd_sim(i) = Number/Packet; % Xac suat phat hien theo mo phong Pd_theory(i) = qfunc((1/sqrt(2*SNR(i) +1))*(qfuncinv(Pf) - sqrt(N)*SNR(i))); % Xac suat phat hien theo ly thuyet end Pd = interp1(SNR_dB,Pd_theory,x,'spline'); figure plot(SNR_dB,Pd_sim,'+r',x,Pd,'b') title('Do thi xac suat phat hien theo SNR tren kenh truyen AWGN') grid on xlabel('Ty so tin hieu tren tap am (SNR)'); ylabel('Xac suat phat hien (Pd)'); legend('Mo phong','Ly thuyet') ***** Phần 2: Code mô xác suất phát tín hiệu (Pd) theo xác suất cảnh báo sai (Pf) clear all; clc; u =16; N = 2*u; % So luong mau Pf = 0.1:0.05:1; % Xac suat canh bao sai SNR_dB = -5; SNR =10^(SNR_dB/10); % Doi SNR sang dB Packet = 10000; % So lan thuc hien Monter-Carlo 88 Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG x = [0.1:0.01:1]; for i=1:length(Pf) Number = 0; for k = 1:Packet t =1:N; signal = cos(pi*t)+j*sin(pi*t); % Tin hieu tieu chuan px = mean(abs(signal).^2); % Cong suat tin hieu pn = px/SNR; % Con suat nhieu = Cong suat tin hieu/SNR noise = sqrt(pn/2)*(randn(1,N)+j*randn(1,N)); % Mo hinh nhieu tren kenh AWGN y = signal + noise; % Tin hieu thu duoc Y(k) = (1/N)*sum(abs(y).^2); % Con suat tin hieu thu Th(i) = pn*qfuncinv(Pf(i))/sqrt(N) + pn; % Nguong quyet dinh tuong ung voi Pf if Y(k)>Th(i) Number = Number +1; end end Pd_sim(i) = Number/Packet; % Xac suat phat hien theo mo phong Pd_theory(i) = qfunc((1/sqrt(2*SNR +1)) *(qfuncinv(Pf(i)) - sqrt(N)*SNR)); % Xac suat phat hien theo ly thuyet end Pd = interp1(Pf,Pd_theory,x,'spline'); figure loglog(Pf,Pd_sim, '+r',x,Pd,'b') 89 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 title('Dac tinh may thu thuat toan nang luong tren kenh truyen AWGN') grid on xlabel('Xac suat canh bao sai (Pf)'); ylabel('Xac suat phat hien (Pd)'); legend('Mo phong','Ly thuyet'); ***** Phần 3: Code mô phụ thuộc xác suất phát (Pd), xác suất cảnh báo sai (Pf) vào giá trị ngƣỡng định (λ) clear all; clc; u = 16; N = 2*u; % So luong mau Th = 1:0.1:5; % Xac suat canh bao sai SNR_dB = -5; SNR=10^(SNR_dB/10); % Doi SNR sang dB Packet = 10000; % So lan thuc hien Monter-Carlo for i=1:length(Th) Number = 0; for k = 1:Packet t =1:N; signal = cos(pi*t)+j*sin(pi*t); % Tin hieu tieu chuan px = mean(abs(signal).^2); % Cong suat tin hieu pn = px/SNR; % Con suat nhieu = Cong suat tin hieu/SNR noise = sqrt(pn/2)*(randn(1,N)+j*randn(1,N)); % Mo hinh nhieu tren kenh AWGN 90 Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG y = signal + noise; % Tin hieu thu duoc Y(k) = (1/N)*sum(abs(y).^2); % Cong suat tin hieu thu if Y(k)>Th(i) Number = Number +1; end end Pd_sim(i) = Number/Packet; % Xac suat phat hien theo mo phong Pf(i) = qfunc(sqrt(N)*((Th(i)-pn)/pn)); % Xac suat canh bao sai end figure plot(Th,Pd_sim,'*r',Th,Pf,'+b') title('Xac suat phat hien va xac suat canh bao sai theo gia tri nguong quyet dinh') grid on xlabel('Nguong quyet dinh'); ylabel('Xac suat phat hien - Xac suat canh bao sai'); legend('Xac suat phat hien','Xac suat canh bao sai'); 91 Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG PHỤ LỤC 2: TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Akyildiz I.F., Brandon F.Lo., Ravikumar Balakrishnan (2010), “Cooperative Spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks: A Survey”, ELSEVIER, pp 1-23 [2] Akyildiz I.F, Won-Yeol Lee, Mehmet C Vuran (2006), “Next Generation/Dynamic Spectrum Access/Cognitive Radio Wireless Networks: A Survey”, ELSEVIER, pp 1-2132 [3] Alexander M Wyglinski, Maziar Nekovee, Thomas Hou (2010), Cognitive Radio Communications and Networks Principles and Practice, ELSEVIER Inc [4] Bayhan S (2013), “Overview of Cognitive Radio Basics and Spectrum Sensing”, CN-S2013, pp 1-41 [5] Cabric D., Robert W.Brodersen (2003), “Physical Layer Design Unique to Cognitive Radio Systems, Berkeley Wireless Reseach Center”, University of California at Berkeley, pp 1-5 [6] Digham F.F., Alouini M.S., Simon M.K (2007), “On the Energy Detection of Unknown Signals over Fading Channels”, IEEE Transaction On Communications, pp 1-4 [7] Hossain S., Abdullah I., Hossain M.A (2012), “Energy Detection Performance of Spectrum Sensing in Cognitive Radio”, I.J Information Technology and Computer Science, pp.1-7 [8] Nayak S., Juvvadi D.R., “Spectrum Sensing in Cognitive Radio”, pp 1-6 [9] Wang J., Ghosh M., Challapali K., “Emerging Cognitive Radio Applications: A Survey”, Philips Research North America, p.1-12 92 Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG DANH SÁCH CHÚ THÍCH HÌNH VẼ [1]: Akyildiz I.F, Won-Yeol Lee, Mehmet C Vuran (2006), “Next Generation/Dynamic Spectrum Access/Cognitive Radio Wireless Networks: A Survey”, ELSEVIER, pp 1-2132 [2]: Hossain S., Abdullah I., Hossain M.A (2012), “Energy Detection Performance of Spectrum Sensing in Cognitive Radio”, I.J Information Technology and Computer Science, pp.1-7 [3]: Akyildiz I.F., Brandon F.Lo., Ravikumar Balakrishnan (2010), “Cooperative Spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks: A Survey”, ELSEVIER, pp 1-23 [4]: Kevin Chang, PhD Thesis, “Spectrum Sensing, Detection and Optimization in Cognitive Radio for Non-Stationary Primary User Signal”, Queensland University of Technology, p.1-198 [5]: Wang J., Ghosh M., Challapali K., “Emerging Cognitive Radio Applications: A Survey”, Philips Research North America, p.1-12 93 ... vô tuyến nhận thức.: 17 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 Hệ thống vô tuyến thông thường RF Điều chế Mã hóa Tạo khung Phần cứng Hệ thống vô tuyến định nghĩa... Matlab giúp kiểm chứng đƣợc tính đắn lý Nguyễn Thanh Bình_12KTTT1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG thuyết Phần cuối đề cập đến ứng dụng vô tuyến nhận thức hệ thống vô tuyến Do nội... luận nghiên cứu đƣợc trình bày luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố dƣới hình thức Tôi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Học viên Nguyễn Thanh Bình NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO VÀ ỨNG DỤNG