Công nghệ nhận thức vô tuyến 5G Phan Quốc Tân

Công nghệ nhận thức vô tuyến, có thể giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần bằng phương tiện tiếp cận và truy cập phổ tần số động, đã được thúc đẩy bởi thực tế là một lượng đáng kể của phổ không dây vẫn còn chưa được tận dụng trong một loạt các tần số vô tuyến trong không gian và không gian tên miền. Ngoài ra, giải pháp này không yêu cầu phải mua lại nguồn tài nguyên tần số vô tuyến đắt tiền, do đó giảm tổng vốn và chi phí hoạt động cho một nhà khai thác mạng không dây.Mặc dù các tiến bộ kỹ thuật gần đây trong các lĩnh vực Radio phần mềm (SDR) và bộ thu phát băng rộng đã dẫn đến khả năng sử dụng phổ tần có sẵn một cách năng động nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết từ quan điểm triển khai. Một mặt, có những vấn đề về kỹ thuật để giải quyết một vài sai sót thực tiễm như độ không đảm bảo của tiếng ốn, sự không chắc chắn của kênhnhiễu, sự không chắc chắn của tín hiệu, sự không hoàn hảo của phần cứng thu phát và các vấn đề đồng bộ. Mặt khác, có một số thách thức về quản lý và kinh doanh để nhận được quyền truy cập phổ năng động trong các mạng không dây trong tương lai. Trong bối cảnh này, các nguyên tắc công nghệ nhận diện vô tuyến nhận thức có thể được kết hợp trong mạng không dây 5G mà không cần nâng cấp đáng kể trong kiến trúc mạng hiện có.Một cách để kết hợp các nguyên tắc của công nghệ nhận thức vô tuyến vào mạng không dây 5G là để cho phép sự tồn tài chung của hai hoặc nhiều hơn hai mạng không dây không đồng nhất trong các chiều khác nhau như thời gian, tần số, không gian, phân cực và không gian địa lý bằng cách sử dụng một số sự giảm thiểu nhiễu tiên tiến và tài nguyên động kỹ thuật phân bổ như nhận dạng chum, liên kết nhận thức can thiệp, kiểm soát quyền lực thích ứng, tập hợp các nhà cung cấp dịch vụ, phân phối năng động, băng thông.Một cách đầy hứa hẹn khác nhau để hưởng lợi từ các nguyên tắc công nghệ nhận thức vô tuyến là kết hợp trí thông minh vào các phân đoạn khác nhau của các mạng không dây trong tương lai như các nút chuyển tiếp và các trạm cơ sở. Các trạm cơ sở nhỏ trong tương lai có thể được làm thông minh bằng cách giới thiệu khả năng nhận thức phổ quát, giúp nâng cao năng lực hệ thống tổng thể bằng cách giảm tác dộng của nhiễu và tiếng ồn. Hơn nữa, các tính năng ăngten thông minh như bản địa hóa nguồn và cách chèn ba chiều thích ứng sẽ không chỉ nâng cao dung lượng hệ thống mà còn giúp nâng cao hiệu suất năng lượng của mạng không dây trong tương lai.Truy cập được chia sẻ rộng rãi được cấp phép chia sẻ (LSA) có thể được thực hiện theo cách năng động bằng cách sử dụng các kỹ thuật CR gần đây và sau đó cho phép chia sẻ phổ tần về vị trí, thời gian và không gian. Ngoài ra, các nguyên tắc CR có thể được sử dụng trong việc kết hợp khả năng song công toàn diện trong một nút không dây. Hơn nữa, các tế bào nhỏ tự tổ chức (các nút không dây), có khả năng tự cấu hình, tự tối ưu hóa và khả năng tự phục hồi, có thể xem như là yếu tố quan trọng cho các hệ thống không dây thông minh trong tương lai.

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Chữ viết

ADC Analog - Digital

Convertor

Chuyển đổi tương tự - số

CDMA Code Division Multiple

Access

Đa truy cập phân chia theo mã

FDMA Frequency Division

Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo tần số

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

SDR Software Difined Radio Vô tuyến định nghĩa bằng phần

mềmSNR Signal – to - Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

TDMA Time Division Multiple

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

1.1 Lý do ra đời của vô tuyến nhận thức

Các mạng thông tin vô tuyến hiện tại đang ứng dụng nhiều công nghệ hiện đại

để tối ưu chất lượng dịch vụ cũng như khai thác một cách hiệu quả băng tần đượccấp phép Tuy nhiên, phổ tần của các mạng vô tuyến hiện nay vẫn chưa được khaithác một cách triệt để, vẫn còn những hố phổ Ví dụ minh họa như hình dưới)

Hình1 1 Minh họa hố phổ

Công nghệ vô tuyến nhận thức được thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả sửdụng phổ tần, các người dùng phụ có khả năng sử dụng phổ chia sẻ mà khônggây nhiễu tới các người dùng chính được cấp phép Vô tuyến nhận thức cho phép

sử dụng những vùng phổ trống theo từng thời điểm, phổ này ám chỉ hố phổ haykhoảng trắng (Hình 1.1) Nếu băng phổ này được người dùng chính (ngườidùng cấp phép) sử dụng tiếp thì các người dùng vô tuyến nhận thức phải chuyểnđến hố phổ khác hoặc nếu vẫn ở trong cùng một băng tần thì phải thay đổi mứccông suất phát hoặc sơ đồ điều chế để tránh gây nhiễu đến người dùng chính

1.2 Khái niệm vô tuyến nhận thức

Vô tuyến nhận thức không chỉ là một công nghệ mới, mà nó còn là một sựthay đổi mang tính cách mạng trong việc sử dụng phổ tần vô tuyến Vô tuyếnnhận thức cho phép đầu cuối có thể cảm biến, hiểu biết và sử dụng một cách linhhoạt phổ tần sẵn có tại một thời điểm nhất định

Trong khảo sát về vô tuyến nhận thức, Simon Haykin đã khái quát về vôtuyến nhận thức như sau:

“Cognitive radio is an intelligent wireless communication system that aware

of its surrounding enviroment and use the methodology of understanding by building to learn from the environment and adapt its internal states to statistical variations in the incoming radio frequence (RF) stimuli by making corresponding changes in certain operating parameters (eg:transmit power, carrier frequency, modulation strategy) in real time,with two

primary objectives in mind:

- Highly reliable communications whenever and wherever needed

- Efficient utilization of the radio spectrum ”

Tức là, “Vô tuyến nhận thức là một hệ thống truyền thông vô tuyến thôngminh có khả năng nhận thức về môi trường xung quanh từ đó tự huấn luyện đểthích nghi với sự thay đổi của môi trường bằng cách thay đổi các tham số hoạtđộng cụ thể (ví dụ công suất phát, tần số sóng mang, phương thức điều chế)trong thời gian thực, với hai đặc tính chính:

o Truyền thông độ tin cậy cao tại mọi thời điểm

o Sử dụng hiệu quả phổ tần số vô tuyến”

Vô tuyến nhận thức hiện nay nổi lên như một công nghệ đầy hứa hẹn để tối đahóa việc sử dụng băng thông vô tuyến đang ngày càng bị hạn chế trong khi sốlượng ngày càng tăng của dịch vụ và các ứng dụng trong các mạng vô tuyến Mộtmạng vô tuyến nhận thức (CR) thu - phát có khả năng thích ứng với môi trườnghoạt động và các thông số vô tuyến có nhiệm vụ làm tối đa hóa việc sử dụng cácnguồn tài nguyên vô tuyến hạn chế trong khi cung cấp sự linh hoạt trong truy cập

vô tuyến

Mục đích của mạng vô tuyến nhận thức là sử dụng hiệu quả tài nguyên baogồm tần số, thời gian và công suất truyền tải Hiệu quả trong việc sử dụng quangphổ đang đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong các hệ thống truyền thông

vô tuyến trong tương lai vì sẽ có nhiều người dùng với các dịch vụ cao Công nghệ

vô tuyến nhận thức có thể được sử dụng trong các hệ thống có mức ưu tiên thấphơn để cải thiện hiệu quả quang phổ bằng cách cảm nhận môi trường phổ và sau đóphát hiện các khoảng phổ còn trống để cấp phép sử dụng Tần số không sử dụng cóthể được coi như một hố phổ tần số mà từ đó có thể được giao cho người sử dụngphụ (SU) Sự liên kết trong việc sử dụng phổ vô tuyến là một trường hợp đặc biệtcủa mạng vô tuyến nhận thức Ngoài ra, kỹ thuật Vô tuyến nhận thức có thể được

sử dụng trong mạng lưới được cấp phép để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần

1.3 Chức năng

Vô tuyến nhận thức có 4 chức năng chính:

- Cảm biến phổ (Spectrum sensing): Phần chức năng này sẽ được trình bày rõ

hơn ở chương 2 của tài liệu này

- Quản lí phổ (Spectrum management): Sau khi cảm biến phổ và quyết định

được khoảng phổ nào trống, CR tiến hành việc quản lí để chọn ra khoảng phổ nào

là tối ưu, đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng trong mạng thông tin như QoS(Quality of service) Chức năng này có thể chia làm 2 bước: Phân tích phổ và quyếtđịnh phổ

- Sử dụng phổ linh hoạt (Spectrum mobility): CR có thể linh hoạt thay đổi tần

số đang sử dụng để chuyển qua một tần số sẵn có khác mà có thể cải thiện đượcchất lượng của mạng thông tin nhằm đạt được chất lượng tốt nhất có thể

- Chia sẻ phổ (Spectrum Sharing): Trong một mạng thông tin không chỉ có 1

mà rất nhiều CR cùng hoạt động Do vậy cần phải có chức năng chia sẻ phổ giữacác CR để có thể cùng sử dụng dải băng tần một cách công bằng, hợp lí tránh đụng

độ nhau

Hình1 2: Sử dụng phổ linh hoạt

1.4 Đặc điểm của mạng vô tuyến nhận thức

Dựa vào một số phân tích ở trên ta nhận thấy mạng Vô tuyến nhận thức cócác đặc điểm cơ bản như sau:

Khả năng nhận thức: Khả năng nhận thức là khả năng mà công nghệ vô

tuyến nắm bắt hoặc cảm biến được các thông tin từ môi trường vô tuyến Khảnăng này không chỉ đơn giản là thực hiện giám sát công suất trong một số băngtần số quan tâm mà còn yêu cầu nhiều công nghệ phức tạp để nắm bắt sự biến đổicủa môi trường vô tuyến theo không gian và theo thời gian, nhằm tránh gâynhiễu ảnh hưởng tới những người dùng chính Thông qua khả năng này, các phầnphổ không sử dụng tại một thời điểm hoặc vị trí nhất định có thể được xác định

Từ đó, nó có thể lựa chọn được phổ tốt nhất với các thông số hoạt động phùhợp nhất để sử dụng.

Tính tự cấu hình: Tính tự cấu hình cho phép mạng vô tuyến có khả năng

lập trình tự động theo sự thay đổi của môi trường vô tuyến Đặc biệt, Vô tuyếnnhận thức có thể được lập trình để truyền và nhận thông tin trên các tần số khácnhau và để sử dụng các công nghệ truy cập truyền dẫn khác nhau được phần cứng

hỗ trợ Một số thông số tự cấu hình cần chú ý là: Tần số hoạt động, điều chế, côngsuất phát, công nghệ truyền

Mục tiêu cơ bản của vô tuyến nhận thức là tận dụng được phổ tần có sẵn tốtnhất thông qua khả nhận thức và tính tự cấu hình Vì hầu hết phổ tần đã được cấpphép, nên thách thức quan trọng nhất là sử dụng chia sẻ phổ tần được cấp phép

mà không gây nhiễu tới quá trình truyền dẫn của những người dùng chính đượccấp phép khác

1.5 Mô hình hệ thống của mạng vô tuyến nhận thức

 Cấu trúc vật lí của mạng Vô tuyến nhận thức

Kiến trúc tổng quan của bộ thu phát vô tuyến nhận thức được chỉ ra trên Hình1.3 Thành phần chính của bộ thu phát vô tuyến nhận thức là đầu cuối RF (RFfront-end) và khối xử lí băng gốc Mỗi thành phần có thể tự cấu hình thông quamột bus điều khiển để thích ứng với môi trường RF biến đổi theo thời gian Trongđầu cuối RF, tín hiệu thu được khuếch đại, trộn và chuyển đổi A/D Trong khối xử

lí băng gốc, tín hiệu được điều chế/giải điều chế, được mã hóa/giải mã Khối xử líbăng gốc của vô tuyến nhận thức về bản chất cũng tương tự như bộ thu phát đangtồn tại Tuy nhiên, điểm mới ở vô tuyến nhận thức nằm ở đầu cuối RF Vì vậy, ta

sẽ tập trung vào đầu cuối RF của Vô tuyến nhận thức

Điểm mới của bộ thu phát vô tuyến nhận thức là khả năng cảm nhận băngrộng của đầu cuối RF Chức năng này liên quan tới các công nghệ phần cứng RFnhư anten băng rộng, khuếch đại công suất, và bộ lọc thích ứng Phần cứng RFcho vô tuyến nhận thức có khả năng điều chỉnh tới bất kì phần nào của dải phổ tầnrộng lớn Cảm nhận phổ cũng cho phép việc đo lường trong thời gian thực cácthông tin phổ từ môi trường vô tuyến

Hình 1 3: Kiến trúc vật lí của vô tuyến nhận thức

(a) Bộ thu phát của vô tuyến nhận thức;

(b) Mô hình đầu cuối RF/tương tự băng rộng.

Nói chung, mô hình đầu cuối băng rộng cho vô tuyến nhận thức có thể miêu

tả như trên Hình 1.3 (b)

Đầu cuối RF của Vô tuyến nhận thức bao gồm các thành phần sau:

* Bộ lọc RF: Bộ lọc RF lựa chọn băng tần mong muốn bằng cách lọc

thông dải tín hiệu RF nhận được

* Bộ khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA): Khuếch đại tín hiệu mong muốn trong

khi đồng thời giảm thiểu các thành phần tạp âm

* Bộ trộn: Tại bộ trộn, tín hiệu nhận được được trộn với tần số RF nội, và

được chuyển đổi thành tần số băng gốc hoặc tần số trung tần (IF)

* Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO): VCO tạo ra tín hiệu tại

một tần số nhất định với điện áp cho trước để trộn với tín hiệu tới Quá trìnhnày chuyển đổi tín hiệu tới thành tần số băng gốc hoặc tần số trung tần

* Vòng khóa pha (PLL): PLL đảm bảo rằng tín hiệu được khóa ở một tần

số nhất định và có thể được sử dụng để tạo ra các tần số chính xác.

* Bộ lọc lựa chọn kênh: Bộ lọc lựa chọn kênh được sử dụng để lựa chọn

kênh mong muốn và loại bỏ các kênh lân cận Có hai loại bộ lọc lựa chọn kênh

“Máy thu chuyển đổi trực tiếp” sử dụng bộ lọc thông thấp để lựa chọn kênh, còn

“máy thu superheterodyne” lại sử dụng bộ lọc thông dải.

* Điều khiển độ lợi tự động (AGC): AGC duy trì độ lợi hoặc mức công

suất đầu ra của bộ khuếch đại không đổi qua một dải rộng các mức tín hiệu đầuvào

Trong kiến trúc này, tín hiệu băng rộng được nhận thông qua đầu cuối RF,được lấy mẫu bởi bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) tốc độ cao, và việc đo đạcđược thực hiện để phát hiện ra tín hiệu của người dùng chính Tuy nhiên, ở đâycòn tồn tại nhiều hạn chế trong việc phát triển đầu cuối của Vô tuyến nhận thức.Anten RF băng rộng nhận các tín hiệu từ các máy phát khác nhau hoạt độngtại các mức công suất, các băng thông và các vị trí khác nhau Kết quả là, đầucuối RF phải có khả năng phát hiện tín hiệu yếu trong một dải tần số động lớn.Tuy nhiên, khả năng này đòi hỏi phải có bộ chuyển đổi ADC tốc độ vài GHz với

độ phân giải cao, mà điều này thì rất khó thực hiện

Trước khi thực hiện chuyển đổi, bộ chuyển đổi ADC tốc độ vài GHz cầnphải giảm bớt dải động của tín hiệu Điều này có thể đạt được bằng cách lọc cáctín hiệu mạnh Vì các tín hiệu mạnh có thể nằm ở bất cứ đâu trong dải phổ rộnglớn, nên cần phải có các bộ lọc Một cách khác nữa là sử dụng nhiều anten saocho việc lọc tín hiệu được thực hiện trong miền không gian hơn là trong miền tần

số Nhiều anten có thể nhận tín hiệu một cách chọn lọc bằng cách sử dụng cáccông nghệ điều khiển búp sóng

Thách thức chủ yếu trong kiến trúc vật lí của Vô tuyến nhận thức là phát hiệnchính xác các tín hiệu yếu của những người dùng chính qua một dải phổ tần rộng

Do vậy, việc thực hiện đầu cuối RF băng rộng và bộ chuyển đổi ADC là vấn đềhàng đầu trong các mạng vô tuyến nhận thức

 Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức

Trong mô hình hệ thống Vô tuyến nhận thức người dùng chính không cầnquan tâm về các thiết bị mạng, và không cần phải sửa đổi hệ thống mạng hiện có,đây được cho là một điều kiện tiên quyết cơ bản một hệ thống vô tuyến nhận thức.Điều quan trọng là những người dùng chính kế thừa các thiết bị của mạng sẵn cóvẫn có thể hoạt động theo cách thông thường ngay cả khi áp dụng cho hệ thốngmạng vô tuyến nhận thức Một giải pháp để cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn ở

khoảng cách ngắn là UWB nhưng quyền hạn truyền tải đòi hỏi phải cao hơn vàUWB trải tín hiệu trên một dải tần số rộng Vì vậy, trong hệ thống vô tuyến nhậnthức những người dùng phụ sẽ tạm dừng hoạt động khi một người dùng chínhtruyền dữ liệu vì vậy công nghệ UWB (siêu băng rộng) không được sử dụng trongmạng Vô tuyến nhận thức

Các nghiên cứu về mô hình hệ thống của vô tuyến nhận thức được trình bàytrong hình 1.4 Mô hình hệ thống Vô tuyến nhận thức bao gồm người sử dụngchính, người sử dụng phụ và trạm trung gian được chọn là nút đóng vai trò phốihợp phổ trong mạng Các kích thước của hệ thống, những thông số và vị trí củangười sử dụng là chỉ minh họa Khi mạng lưới bắt đầu hoạt động, tín hiệu đầu tiênđược vào nút và nó vẫn tiếp tục hoạt động cho đến khi mạng ngắt kết nối Một ví

dụ cho các hệ thống vô tuyến nhận thức được giới thiệu trong hình 1.5, nơi vị trícủa người dùng chính và người dùng phụ được chọn ngẫu nhiên trong khu vựcphân phối sử dụng mạng thống nhất Màu xám trong hình mô tả các khu vực nơi

SU và PU có sự ảnh hưởng lẫn nhau Đây cũng là khu vực mà nó có thể cho SUphát hiện sự hiện diện của PU thông qua cảm biến

Hình1 4: Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức

Hình 1 5: Minh họa sự ảnh hưởng của phạm vi truyền dẫn của người dùng

chính và người dùng phụ

Sơ đồ khối các nút trong trong mô hình hệ thống Vô tuyến nhận thức đượctrình bày trong hình 1.6 Nhiệm vụ của nút trong vô tuyến nhận thức là gồm cảmbiến phổ ở người nhận để xác định các lỗ hổng phổ, sau đó truyền tải thông tin cảmbiến thông qua các liên kết thông tin phản hồi và điều khiển kênh, điều khiển tần

số, công suất ở máy phát dựa trên thông tin phản hồi từ người nhận và có sự kiểmsoát thông tin từ các nút

Hình 1 6: Sơ đồ khối của nút trong vô tuyến nhận thức

Các nút hoạt động bằng cách gửi một tín hiệu đến một kênh điều khiển chung

để thông báo cho các nút khác có khả năng tham gia mạng Vai trò của nút khác vớiđiểm truy cập thông thường bởi vì nó có khả năng nhận thức được thông tin hiệntại và truyền thông tin liên lạc giữa các nút là giống như việc thu nhận thông tinliên lạc trong mạng ngan hàng (P2P) Các thông tin phổ cảm biến tại vị trí của cácnút sẽ được gửi tới một kênh điều khiển chung, kết hợp trong nút và sau đó phátsóng đến thiết bị đầu cuối CR trong mạng Về bản chất, giao tiếp giữa hai thiết bịđầu cuối CR có thể được chia thành các bước sau:

- Cảm biến phổ tại mỗi nút và truyền tải các thông tin cảm biến đến kênh điềukhiển chung

- Kết hợp các thông tin cảm biến trong các nút và truyền các thông tin kết hợpnày tới tất cả các thiết bị đầu cuối trong CR và cho phép các nút sẵn sàng để giaotiếp

- Bắt đầu từ việc truyền tải giữa hai thiết bị đầu cuối, ví dụ như chuỗi huấnluyện đầu tiên và sau đó ước lượng kênh ở chế độ theo dõi và truyền dữ liệu thực

tế

- Cảm biến phổ định kỳ được thực hiện trong khoảng thời gian ∆t giây; nếu

quá trình truyền dữ liệu bị gián đoạn trong quá trình cảm biến thì trở lại điểm 1

 Mô hình tổng thể của mạng Vô tuyến nhận thức

Mạng vô tuyến hiện nay đang tồn tại sử dụng hỗn hợp nhiều chuẩn phổ vàcông nghệ truyền thông khác nhau Hơn nữa, có một số phần phổ vô tuyến đã đượccấp phép cho các mục đích khác nhau nhưng vân còn một số băng tần vẫn chưađược cấp phép

Hình 1 7: Mô hình kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức

Các thành phần kiến trúc của mạng vô tuyến nhận thức, như hình 1.7, có thểphân thành hai nhóm là mạng chính và mạng phụ Các thành phần cơ bản của hainhóm mạng này được xác định như sau:

* Mạng chính: Mạng chính có quyền truy nhập tới một vài băng phổ nhất

định, chẳng hạn như mạng TV quảng bá, hay mạng tổ ong nói chung Cácthành phần của mạng chính bao gồm:

- Người dùng chính: Người dùng chính (hay người dùng được cấp phép) có

giấy phép để hoạt động trong một băng phổ nhất định Truy nhập này chỉ đượcgiám sát bởi trạm gốc chính và không bị ảnh hưởng bởi những hoạt động củabất kì người dùng không được cấp phép khác Để cùng tồn tại với các trạm gốc Vôtuyến nhận thức và người dùng Vô tuyến nhận thức, những người dùng chínhnày không cần bất cứ sự điều chỉnh hoặc chức năng cộng thêm nào

- Trạm gốc chính: Trạm gốc chính (hay trạm gốc được cấp phép) là thành

phần cơ sở hạ tầng mạng được cố định, có giấy phép phổ, như BTS trong mạng

tổ ong Về nguyên tắc, trạm gốc chính không có khả năng chia sẻ phổ với nhữngngười dùng Vô tuyến nhận thức Tuy nhiên, trạm gốc chính này có thể yêu cầu để

có được khả năng này

* Mạng phụ: Mạng phụ (mạng truy nhập phổ tần động, mạng thứ cấp, mạng

không được cấp phép) không có giấy phép để hoạt động trong một băng mongmuốn Do đó, nó chỉ đư

- Người dùng phụ: 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 phổ cấp phép

- Trạm gôc phụ: Trạm gốc phụ (hay trạm gốc xG, trạm gốc không cấp phép,

trạm gốc thứ cấp) là thành phần cơ sở hạ tầng cố định Trạm gốc phụ cung cấpkết nối đơn chặng tới những người dùng p h ụ mà không cần giấy phép truynhập phổ Thông qua kết nối này, người dùng p h ụ có thể truy nhập đến cácmạng khác

- Bộ phân chia phổ: Bộ phân chia phổ (hay server lập lịch) là một bộ phận

mạng trung tâm đóng vai trò trong việc chia sẻ các tài nguyên phổ tần giữa cácngười dùng phụ Bộ phân chia phổ có thể kết nối với từng mạng và có thểphục vụ với tư cách là bộ phận quản lí thông tin phổ, nhằm cho phép các mạng phụcùng tồn tại

Mạng Vô tuyến nhận thức bao gồm nhiều loại mạng khác nhau: mạngchính, mạng phụ dựa trên cơ sở hạ tầng, và mạng ad hoc Mạng Vô tuyến nhậnthức hoạt động dưới môi trường phổ hỗn hợp, bao gồm cả các băng cấp phép vàkhông cấp phép Do đó, trong mạng Vô tuyến nhận thức, có ba loại truy nhậpkhác nhau, đó là:

Truy cập mạng chính: Người dùng chính truy nhập trên băng tần được cấp

phép

Truy cập mạng phụ (xG network access): Người dùng phụ có thể truy nhập

tới chính trạm gốc của mạng chính ở cả băng cấp phép và không cấp phép

Truy cập mạng vô tuyến nhận thức ad hoc (xG ad hoc access): Người dùng

Vô tuyến nhận thức có thể truyền thông tin với những người dùng Vô tuyến nhậnthức khác thông qua kết nối ad hoc ở cả băng cấp phép và không cấp phép

 Hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức

Trong mạng vô tuyến nhận thức mạng phụ có thể hoạt động trong cả băngcấp phép và không cấp phép Do đó, các chức năng yêu cầu cho mạng phụ khácnhau tùy theo phổ đó là cấp phép hay không

 Trên băng tần được cấp phép

Như đã chỉ ra trên Hình 1.1, ta thấy có những hố phổ không sử dụng trongbăng phổ được cấp phép Do đó, sử dụng mạng phụ để khai thác và sử dụng các

hố phổ này thông qua các công nghệ thông minh Kiến trúc này được miêu tảtrong Hình 1.4 trong đó các mạng phụ cùng tồn tại với các mạng chính tại cùngmột vị trí và trên cùng một băng phổ

Hình 1 8: Mạng Vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng tần cấp phép

Có nhiều thách thức khác nhau để các mạng phụ hoạt động trên băng cấpphép song song với sự tồn tại của những người dùng chính Mặc dù, mục đíchchính của mạng vô tuyến nhận thức là xác định phổ tần có sẵn tốt nhất, nhưng cácchức năng của Vô tuyến nhận thức trong băng tầ n cấp phép lại bao gồm pháthiện sự có mặt của các người dùng chính Dung lượng kênh của các hố phổ phụthuộc vào nhiễu xung quanh những người dùng chính Do đó, việc tránh nhiễucho những người dùng chính là vấn đề quan trọng nhất trong kiến trúc này Hơnnữa, nếu người dùng chính xuất hiện trong băng phổ bị những người dùng phụchiếm, thì người dùng phụ ngay lập tức phải bỏ lại phổ hiện thời và chuyển tớiphổ mới sẵn có khác, gọi là chuyển giao phổ

 Trên băng tần không được cấp phép

Các mạng phụ có thể được thiết kế để hoạt động trên các băng không cấp

phép để cải thiện hiệu quả sử dụng phổ trong phần phổ này Mạng phụ hoạtđộng trên băng không cấp phép được minh họa trên Hình 1.5 Tất cả các ngườidùng phụ trong mạng có quyền như nhau khi truy nhập tới các băng phổ Nhiềumạng phụ cùng tồn tại trong một vùng giống nhau và truyền thông sử dụng cũngmột phần phổ như nhau Các thuật toán chia sẻ phổ thông minh có thể cải thiệnhiệu quả sử dụng phổ và hỗ trợ QoS cao.

Hình 1 9: Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng không cấp phép

Trong kiến trúc này, những người dùng phụ tập trung vào phát hiện việctruyền của những người dùng phụ khác Khác với hoạt động trên băng cấp phép,việc chuyển giao phổ không bị kích thích bởi sự có mặt của những người dùngchính khác Tuy nhiên, vì tất cả những người dùng phụ có quyền truy nhập phổnhư nhau, nên họ phải cạnh tranh với nhau trong cùng băng không cấp phép

Do đó, kiến trúc này đòi hỏi các phương pháp chia sẻ phổ phức tạp giữa nhữngngười dùng trong mạng phụ Nếu nhiều mạng phụ nằm trong cùng một băngkhông cấp phép thì phải có phương pháp chia sẻ phổ phù hợp giữa các mạngnày

CHƯƠNG 2: CÁC CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN NHẬN

THỨC 2.1 Cảm biến phổ

Một trong những yêu cầu chính của mạng Vô tuyến nhận thức là khả năng quétcác dải quang phổ và xác định các kênh truyền còn trống có sẵn để sử dụng Vô tuyếnnhận thức giám sát các băng phổ sẵn có, nắm bắt các thông tin của chúng và sau

đó phát hiện ra các hố phổ

Như đã được đề cập, vô tuyến nhận thức được thiết kế để có thể hiểu biết vànhạy cảm với sự thay đổi của môi trường xung quanh Chức năng cảm biến phổcho phép vô tuyến nhận thức thích ứng với môi trường xung quanh bởi việc pháthiện các hố phổ

Cách hiệu quả nhất để phát hiện các hố phổ là phát hiện các người dùngchính đang truyền nhận dữ liệu trong vùng hoạt động của nó Tuy nhiên, trên thực

tế rất khó cho một mạng vô tuyến nhận thức để có thể đo trực tiếp các thông sốkênh đang sử dụng giữa máy phát và máy thu của người dùng chính Do vậy,phương pháp khả thi đầu tiên là tập trung vào việc phát hiện máy phát chính dựatrên các quan sát cục bộ của các người dùng vô tuyến nhận thức

Nói chung, các kỹ thuật cảm biến phổ có thể được phân loại thành: cảmbiến phát hiện máy phát, cảm biến theo cơ chế hớp tác và cảm biến phát hiện dựatrên nhiễu đã được chỉ ra trên hình

Hình 2 1: Phân loại các kỹ thuật cảm biến phổ

2.1.1 Cảm biến phát hiện máy phát (phát hiện không hợp tác)

Vô tuyến nhận thức phải phân biệt giữa các băng tần chưa sử dụng và cácbăng tần đã được sử dụng Bởi vậy, vô tuyến nhận thức cần có khả năng xác địnhxem tín hiệu từ máy phát người dùng chính có đang tồn tại trong một băng tần cụ

thể hay không Phương pháp phát hiện máy phát là dựa trên việc phát hiện tín hiệu

từ một máy phát chính thông qua các quan sát cục bộ của các người dùng vô tuyếnthông minh

2.1.2 Cảm biến dựa trên bộ lọc kết hợp

Khi đã biết được thông tin tín hiệu người dùng chính, thì phương pháp pháthiện tốt nhất trong môi trường nhiễu Gauss không đổi là bộ lọc kết hợp vì nó cho

tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tối đa Trong khi ưu điểm chính của bộ lọc kết hợp

là yêu cầu ít thời gian để đạt được độ lợi xử lý cao, thì nó đòi hỏi phải biết trướcthông tin về tín hiệu người dùng chính chẳng hạn như phương thức điều chế,dạng xung, và khuôn dạng gói Bởi vậy, nếu các thông tin này không chính xácthì bộ lọc kết hợp tỏ ra không hiệu quả

2.1.3 Cảm biến dựa mức năng lượng của tín hiệu thu

Nếu máy thu không thể có được đủ thông tin hữu ích về tín hiệu ngườidùng chính, chẳng hạn nếu máy thu chỉ biết được công suất của nhiễu Gauss ngẫunhiên, thì cách phát hiện tốt nhất trong trường hợp này là phát hiện dựa trênmức năng lượng Để đo năng lượng của tín hiệu đã nhận được, tín hiệu đầu racủa bộ lọc thông dải với băng thông W được bình phương và tích phân quakhoảng thời gian quan sát T Cuối cùng, đầu ra của bộ kết hợp được so sánh vớimột ngưỡng để quyết định xem có người dùng chính hay không

Hiệu quả của việc phát hiện mức năng lượng dễ bị ảnh hưởng bởi sự thayđổi của công suất nhiễu Để giải quyết vấn đề này, một kênh hoa tiêu từ máyphát chính được sử dụng để cải thiện độ chính xác của bộ phát hiện dựa trênnăng lượng Một thiếu sót nữa là bộ cảm biến chỉ dựa trên mức năng lượng thìkhông thể phân biệt các loại tín hiệu mà chỉ có thể xác định sự có mặt của chúng.Cảm biến dựa trên đặc tính dừng

Một phương pháp phát hiện khác là phát hiện dựa trên đặc tính dừng Cáctín hiệu đã điều chế thông thường được kết hợp với các sóng mang hình sin, cácchuỗi xung, trải phổ lặp, nhảy tần, hoặc các tiền tố vòng Những tín hiệu đãđiều chế này được mô tả như có tính dừng vì trung bình và tự tương quan củachúng tuần hoàn theo chu kỳ Những đặc tính này được phát hiện nhờ phân tíchhàm tương quan phổ Ưu điểm chính của hàm tương quan phổ là nó phân biệtnăng lượng nhiễu với năng lượng tín hiệu đã điều chế Bởi vậy bộ phát hiện đặctính vòng tĩnh có thể hoạt động tốt hơn bộ phát hiện năng lượng vì nó có thể táchđược nhiễu ra tốt hơn bộ phát hiện dựa trên năng lượng Tuy nhiên, nó yêu cầutính toán phức tạp và thời gian quan sát sẽ dài hơn đáng kể

2.1.4 Cảm biến theo cơ chế hợp tác

Phát hiện theo cơ chế hợp tác là phương pháp cảm nhận phổ tần mà thông tin

từ nhiều người dùng vô tuyến nhận thức được liên kết lại để phát hiện ngườidùng chính Phát hiện hợp tác có thể được thực hiện theo cả phương án tập trunghay phân tán Trong phương án tập trung, trạm gốc đóng vai trò để thu thập toàn

bộ thông tin từ các người dùng vô tuyến thông minh và phát hiện các hố phổ.Còn theo phương án phân tán, nó yêu cầu trao đổi các thông tin quan sát giữacác người dùng trong mạng với nhau

Phương pháp này cung cấp hiệu năng cảm biến chính xác hơn, tuy nhiên nótạo ra các ảnh hưởng bất lợi trong các mạng hạn chế tài nguyên do các hoạt động

bổ xung và các lưu lượng đầu

2.1.5 Cảm biến dựa trên nhiễu

Gần đây một mô hình đo nhiễu mới đã được FCC giới thiệu, gọi làphương pháp nhiễu nhiệt được chỉ ra trên hình 1.4

Hình 2 2: Mô hình nhiễu nhiệt

Mô hình này chỉ ra tín hiệu của một trạm vô tuyến được thiết kế để hoạtđộng trong một dải mà tại đó công suất thu gần với mức nhiễu nền Khi xuất hiệntín hiệu gồm cả nhiễu thì nhiễu nền tăng lên tại các điểm khác nhau trong vùngdịch vụ, như chỉ ra bởi các đỉnh phía trên của nhiễu nền ban đầu Trong mô hìnhnhiễu nhiệt các thuê bao vô tuyến nhận thức được coi là các thuê bao có quyền ưutiên hơn, các thuê bao khác và can nhiễu chỉ như là một nguồn nhiễu Nguồn nhiễu

đó sẽ giới hạn dung lượng của hệ thống trên từng băng tần cụ thể từ đó hệ thống

vô tuyến nhận thức sẽ quyết định truyền hay không

Tuy nhiên vẫn có một số giới hạn trong việc đo đạc nhiễu Phương pháp nàyxem xét các nhân tố như phương pháp điều chế tín hiệu không cấp phép, cácanten, khả năng phát hiện các kênh cấp phép tích cực, điều khiển công suất và mức

độ hoạt động của các người dùng chính và người dùng vô tuyến nhận thức Tuynhiên mô hình này không xem xét ảnh hưởng của nhiều người dùng Hơn nữa,nếu người dùng không có thông tin về vị trí người dùng chính thì nhiễu khôngthể đo đạc được bằng phương pháp này

2.2 Chia sẻ phổ

Trong mạng vô tuyến nhận thức, một trong những thách thức chính khi sửdụng phổ tần mở là việc chia sẻ phổ tần Không giống như cảm biến phổ liênquan chính tới lớp vật lý, hay quản lý phổ liên quan tới các dịch vụ lớp cao hơn,các chức năng chia sẻ phổ tương tự với các công nghệ phân bổ tài nguyên và đatruy nhập đa người dùng trong lớp MAC của các hệ thống truyền thông đang tồntại Vấn đề chính trong việc chia sẻ phổ là sự cùng tồn tại của các người dùng vôtuyến nhận thức và các người dùng chính và quản lý các băng thông không liên tục

có sẵn

Dựa trên các tiêu chuẩn khác nhau, các kỹ thuật chia sẻ phổ có thể đượcphân loại theo nhiều cách khác nhau

2.2.1 Theo cấu trúc mạng:

Có thể phân thành chia sẻ phổ tập trung và không tập trung (phân tán), chia

sẻ phổ tập trung nghĩa là toàn bộ các nút trong mạng gửi thông tin cảm biến phổcủa chúng tới đơn vị điều khiển trung tâm, sau đó đơn vị điều khiển trung tâm

sẽ thiết lập lược đồ phân bổ phổ, trong khi đó chia sẻ phổ phân tán nghĩa là toàn

bộ các nút tự quyết định truy nhập phổ theo cách riêng

2.2.2 Theo cách thức cấp phát phổ tần:

Có thể phân loại thành chia sẻ phổ hợp tác và không hợp tác Trong chia sẻphổ hợp tác tại mỗi nút chia sẻ kết quả cảm biến phổ của nó với các nút khác, sau

đó thuật toán phân bố phổ sẽ quyết định dựa trên các thông tin này, ngược lại chia

sẻ phổ không hợp tác có nghĩa là các nút tự nó quyết định chia sẻ phổ mà khôngcần các thông tin về cảm biến phổ

2.2.3 Theo công nghệ truy cập:

Có thể phân thành chia sẻ phổ Overlay và chia sẻ phổ Underlay:

Hình 2 3: Chia sẻ phổ tần dựa trên các công nghệ truy nhập

 Mô hình chia sẻ phổ Overlay (chia sẻ phổ chồng lấn):

Trong phương pháp chia sẻ phổ tần chồng lấn, máy thu phát Vô tuyến thôngminh sẽ chỉ có thể truy cập vào phần phổ tần được cấp phép khi người sử dụngđược cấp phép không sử dụng phần phổ tần đó Có nghĩa là người dùng vô tuyếnnhận thức truy nhập mạng thông qua hố phổ không được sử dụng, thực tế thì làghép kênh phân chia theo thời gian giữa các người dùng vô tuyến nhận thức vàngười dùng chính Do đó nhiễu tới người dùng chính là nhỏ nhất

Phương pháp chia sẻ chồng lấn được thể hiện như Hình 2.3

Hình 2 4: Chia sẻ phổ tần chồng lấn

 Mô hình chia sẻ phổ Uderlay (chia sẻ phổ chìm xuống):

Người sử dụng mạng Vô tuyến nhận thức sẽ sử dụng các công nghệ trải phổnhư CDMA (đa truy nhập phân chia theo mã) hoặc UWB (siêu di động băng rộng)

để chia sẻ băng tần với người sử dụng được cấp phép Việc sử dụng các công nghệtrải phổ sẽ giúp cho người sử dụng Vô tuyến nhận thức có thể dùng tràn lên băngtần của người sử dụng được cấp phép bất kể người sử dụng được cấp phép có sửdụng phổ tần đó hay không Trong trường hợp này thì người dùng cấp phép sẽ coicác người dùng phụ như là nhiễu Một vấn đề đặt ra trong phương pháp này làngười sử dụng Vô tuyến thông minh phải kiểm soát được công suất phát của mình

để tránh gây nhiễu lên người sử dụng được cấp phép Công nghệ chia sẻ phổtần chìm thường được áp dụng đối với các mạng tổ ong và được minh họa nhưHình 3.3

Hình 2 5: Chia sẻ phổ tần chìm dưới

Hiển nhiên, khi người dùng vô tuyến nhận thức biết toàn bộ thông tin về hệthống cấp phép thì overlay thể hiện tốt hơn underlay, và ngược lại

2.3 Quản lý phổ

Trong mạng Vô tuyến nhận thức, các băng tần phổ chưa sử dụng sẽ được trải

ra trên một vùng tần số rộng bao gồm cả băng tần cấp phép và không cấp phép.Các băng tần phổ chưa sử dụng này được phát hiện thông qua cảm biến phổ chothấy các đặc điểm khác nhau không chỉ thay đổi theo thời gian mà còn theo cácthông tin băng tần phổ như tần số và băng thông hoạt động

Vì mạng vô tuyến nhận thức phải quyết định được băng tần phổ tốt nhất đểđáp ứng các yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) trên toàn bộ các băng tần có sẵn,nên các chức năng quản lý phổ mới được yêu cầu để xem xét các đặc điểm phổ

Nhiễu: Các băng tần phổ khác nhau thường có các mức nhiễu khác nhau, do

đó cần xác định các đặc điểm nhiễu của kênh Từ mức nhiễu tại máy thu chính, ta

sẽ suy ra công suất cho phép của người dùng từ đó sử dụng cho việc ước tínhdung lượng kênh

Suy hao đường truyền: Khi tần số hoạt động tăng thì suy hao đường truyền

cũng tăng Do đó, nếu công suất phát của người dùng giữ nguyên thì phạm vitruyền dẫn sẽ giảm tại các tần số cao hơn Nếu ta tăng công suất phát để bù lạisuy hao đường truyền thì sẽ tăng nhiễu đối với các người dùng khác

Lỗi liên kết vô tuyến: Dựa vào sơ đồ điều chế và mức nhiễu của băng tần phổ,

tỷ lệ lỗi của kênh được thay đổi

Trễ lớp liên kết: Để xác định suy hao đường truyền, lỗi liên kết vô tuyến,

và nhiễu thì yêu cầu các giao thức lớp liên kết dữ liệu là khác nhau tại các băng tầnkhác nhau Điều này dẫn tới trễ truyền dẫn gói lớp liên kết dữ liệu khác nhau

Thời gian chiếm giữ băng tần: Các hoạt động của người dùng chính có thể

ảnh hưởng tới chất lượng kênh trong các mạng vô tuyến nhận thức Thời giannắm giữ là thời gian mà người dùng Vô tuyến nhận thức chiếm giữ một băng tầnđược cấp phép trước khi bị ngắt Hiển nhiên là thời gian nắm giữ càng lâu thì chấtlượng càng tốt Có thể tăng thời gian nắm giữ bằng kỹ thuật chuyển giao thống kê

2.3.2 Quyết định phổ

Khi tất cả các băng tần phổ đã sẵn có, thì cần phải lựa chọn được băng tầnphù hợp nhất với các yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) và các đặc tínhcủa phổ Do vậy, quản lý phổ cần phải biết được các yêu cầu về QoS của ngườidùng Dựa trên đó mà tốc độ dữ liệu, tỷ lệ lỗi chấp nhận được, mô hình truyềndẫn và băng tần truyền sẽ được xác định Sau đó dựa vào các quy tắc quyết định

mà sẽ chọn lựa các băng tần phù hợp Các quy tắc chọn lựa được đề xuất dựa trêntính công bằng và giá trị truyền thông

 Những thử thách của việc quản lý phổ:

Có những tồn tại trong quá trình triển khai quá trình nghiên cứu mà ta cầnphải giải quyết để phát triển giải thuật quản lý phổ nói trên Các thử thách cần vượtqua:

Hình thức quyết định: Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR không đủ để đặc trưng

cho hệ thống mạng CR Không chỉ có SNR mà còn có nhiều thông số đặc trưngkhác của phổ thì ảnh hưởng tới chất lượng của việc quản lý phổ đã được nêu ởtrên Do đó, làm thế nào để kết hợp tất cả các thông số đặc trưng này của phổ đểquyết định kiểu phổ phù hợp thì vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu và thảo luận.tuy nhiên, trong hệ thống OFDM mà dựa vào hệ thống CR, nhiều dải phổ có thểđược sử dụng đồng thời trong quá trình truyền dẫn Từ những nguyên nhân đó thìkhung công việc cho các dải phổ trên thì được xây dựng

Sự quyết định nhiều dải phổ: Trong hệ thống CR, nhiều dải phổ có thể được

sử dụng đồng thời trong quá trình truyền dẫn Thêm nữa, hệ thống CR không yêucầu các dải phổ mà đã được chọn phải liên tiếp nhau Người sử dụng trong hệthống CR có thể gửi các gói dữ liệu thông qua những dải phổ không liên tiếp này.Truyền dẫn phổ đa kênh này chỉ ra sự hạn chế chất lượng trong suốt quá trìnhchồng lấn phổ khi so sánh với sự truyền dẫn thông thường chỉ dùng có một kênh

Ví dụ, nếu tín hiệu của PU xuất hiện ở một dải băng nào đó thì hệ thống CR sẽphải bỏ qua dải băng này và tìm những cơ hội ở những dải băng khác, thế nhưngkhi đó các dải băng này sẽ bảo trì, giữ gìn được kênh truyền, làm chất lượng củakênh truyền được ổn định Hơn nữa, truyền dẫn đa kênh cho phép tín hiệu côngsuất thấp được sử dụng tại các dải băng Vì vậy,vô tình làm tăng thêm nhiễu cho tínhiệu PU Từ những lý do trên, thì công việc của hệ thống quản lý phổ phải hổ trợcho khả năng quyết định hệ thống truyền dẫn phổ đa kênh Ví dụ như làm thế nào

để xác định được số lượng các dải băng và làm thế nào để chọn được dải băng nàophù hợp với hệ thống CR thì vẫn còn đang nghiên cứu thực hiện

Kết hợp để tái cấu hình: Kĩ thuật của hệ thống CR cho phép các thông số của

sóng thay đổi, tái cấu hình lại để hệ thống có thể hoạt động tối ưu trong vùng trungtâm của dải phổ Ví dụ như, khi mà tỉ số SNR đã được xác lập thì tốc độ lỗi bitBER có thể được điều chỉnh để duy trì, bảo vệ dung lượng kênh truyền bằng cách

sử dụng lợi thế của khả năng thích nghi của công nghệ Vì vậy, công việc của sựkết hợp này là bao gồm cả việc quyết định phổ và tái cấu hình lại

Quyết định phổ dựa trên các băng tần phổ phức tạp, hỗn tạp, không đồng nhất: Rõ ràng, tại trung tâm dải phổ thì luôn được gán cho những mục đích khác