Danh mục hình vẽ III Thuật ngữ viết tắt V I. Tổng quan 1 1.1. Tổng quan về vô tuyến nhận thức – Cognitive Radio (CR) 1 1.1.1. Khái niệm 1 1.1.2. Mối quan hệ giữa vô tuyến thông minh và vô tuyến nhận thức 3 1.1.3. Nguyên nhân hình thành vô tuyến nhận thức 4 1.1.4. Chức năng 6 1.1.5. Đặc điểm mạng vô tuyến nhận thức 6 1.2. Mô hình hệ thống của vô tuyến nhận thức 7 1.2.1. Cấu trúc vật lý của mạng vô tuyến nhận thức 7 1.2.2. Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức 10 1.2.3. Mô hình tổng thể của mạng vô tuyến nhận thức 12 1.2.4. Hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức 15 1.2.5. Các chuẩn của mạng vô tuyến nhận thức 17 1.2.5.1. Chuẩn IEEE SCC 41 17 1.2.5.2. Chuẩn IEEE 802.22 cho khu vực mạng không dây (Wireless Regional Area Networks (WRANs)) 20 II. Các chức năng của hệ thống vô tuyến nhận thức 23 2.1. Cảm biến phổ 23 2.1.1 Cảm biến phát hiện máy phát (phát hiện không hợp tác) 24 2.1.2. Cảm biến dựa trên bộ lọc kết hợp 24 2.1.3. Cảm biến dựa mức năng lượng của tín hiệu 25 2.1.4. Cảm biến theo cơ chế hợp tác 25 2.1.5. Cảm biến dựa trên nhiễu 26 2.2. Chia sẻ phổ 27 2.2.1. Theo cấu trúc mạng 27 2.2.2. Theo cách thức cấp phát phổ tần 27 2.2.3. Theo công nghệ truy cập 28 2.3. Quản lý phổ 29 2.3.1. Phân tích phổ 30 2.3.2. Quyết định phổ 31 2.4. Linh động phổ 31 III. Vô tuyến định nghĩa mềm cho hệ thống vô tuyến nhận thức 33 3.1. Giới thiệu 33 3.2. Mối quan hệ giữa SDR và CR 34 3.3. Kiến trúc SDR 35 3.3.1 Kiến trúc SDR lí tưởng 35 3.3.2. Cấu trúc của một hệ thống SDR đơn giản 37 IV. Ứng dụng của vô tuyến nhận thức 40 4.1. Ứng dụng thông tin không dây nhận thức 40 4.1.1. Ứng dụng tối ưu hóa và nâng cao chất lượng 41 4.1.2. Ứng dụng trong dịch vụ của hệ thống thông tin không dây 46 Tài liệu tham khảo A Danh mục hình vẽ Hình 1.1. Lịch sử hình thành của vô tuyến nhận thức 3 Hình 1.2. Mối quan hệ giữa vô tuyến thông minh và vô tuyến nhận thức 4 Hình 1.3. Lỗ hoặc hố phổ 5 Hình 1.4. Sử dụng phổ linh động 6 Hình 1.5. Kiến trúc vật lý của vô tuyến nhận thức 8 Hình 1.6. Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức 11 Hình 1.7. Minh họa sự ảnh hưởng của phạm vi truyền dẫn của người sử dụng chính và người sử dụng phụ 11 Hình 1.8. Sơ đồ khối của các nút trong vô tuyến nhận thức 12 Hình 1.9. Mô hình kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức 13 Hình 1.10. Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng tần cấp phép 16 Hình 1.11. Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng không cấp phép 17 Hình 1.12. Mối quan hệ giữa các thành phần IEEE SCC 41 21 Hình 1.13. Cấu trúc siêu khung trong chuẩn IEEE 802.22 23 Hình 1.14. Kết cấu một khung trong IEEE 802.22 23 Hình 1.15. Cơ chế cảm biến thô và tinh trong hệ thống IEEE 802.22 25 Hình 2.1. Phân loại các kỹ thuật cảm biến phổ 26 Hình 2.2. Mô hình nhiễu nhiệt 28 Hình 2.3. Chia sẻ phổ tần dựa trên các công nghệ truy nhập 30 Hình 2.4. Chia sẻ phổ tần chồng lấn 31 Hình 2.5. Chia sẻ phổ tần chìm dưới 32 Hình 2.6. Quá trình linh động phổ 34 Hình 3.1. Mối quan hệ giữa SDR và CR 38 Hình 3.2. Cấu trúc của hệ thống SDR lí tưởng 39 Hình 3.3. Cấu trúc đơn giản của máy thiết bị vô tuyến SDR 41 Hình 3.4. Cấu trúc SDR khi có sử dụng tần số trung tần 42 Hình 3.5. Cấu trúc SDR khi sử dụng tần số trung tần FPGA 43 Hình 3.6. Sự chuyển phổ tín hiệu khi không sử dụng tần số trung tần 43 Hình 3.7. Cấu trúc một SDR với các thành phần chủ yếu 44 Hình 4.1. Phân loại ứng dụng vô tuyến nhận thức 46 Hình 4.2. Tài nguyên thông tin không dây 47 Hình 4.3. Các thiết bị trong hệ thống thông tin không dây 48 Hình 4.4. Thông tin trên nhiều phổ và mạng khác nhau 49 Hình 4.5. Tối ưu mạng 51 Hình 4.6. Hệ thống thông tin không dây tương kết 52 Hình 4.7 Phân loại ứng dụng vô tuyến nhận thức vào dịch vụ người dùng 56 Hình 4.8. Ứng dụng vô tuyến nhận thức trong thói quen người dùng 56 Thuật ngữ viết tắt Chữ viết tắt Tên tiếng anh Nghĩa tiếng Việt ADC AnalogDigital Convertor Chuyển đổi tương tự số AF Amplify and Forward Khuếch đại và chuển tiếp BS Base Station Trạm cơ sở CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CPE Consumer Premise Equipment Thiết bị sử dụng đầu tiên CR Cognitive Radio Vô tuyến nhận thức FCC Federal Communications Commission Ủy ban truyền thông liên bang FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện kỹ nghệ điện tử ITU International Telecommunications Union Liên minh viễn thông Quốc tế LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại nhiễu thấp QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ PU Primary User Người dùng chính RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RX Receiver Máy thu SCH Superframe Control Header Tiêu đề điều khiển siêu khung SDR Software Difined Radio Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SNR SignaltoNoise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SU Secondary User Người dùng phụ TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian UWB Ultra Wideband Di động siêu băng rộng I. Tổng quan 1.1. Tổng quan về vô tuyến nhận thức – Cognitive Radio (CR) 1.1.1. Khái niệm Vô tuyến nhận thức là một mô hình mới mà có khả năng tự nhận thức các thực thể, rất nhạy cảm với thay đổi trong môi trường xung quanh và nó có khả năng tương tác với môi trường một cách thích nghi để tự cấu hình hay tái thiết lập mạng, đây là ý tưởng kỹ thuật hoàn toàn mới đối với các nghiên cứu tại Việt Nam. Cho đến nay có rất nhiều định nghĩa khác nhau về vô tuyến nhận thức như: Thuật ngữ CR xuất hiện lần đầu tiên trong một bài báo của Joseph Mitola III và Gerald Q. Maguire vào năm 1999. Họ nhận thấy vô tuyến nhận thức là một sự cải tiến của vô tuyến phần mềm (software radio) và định nghĩa rằng: “Radio etiquette is the set of RF bands, air interfaces, protocols, and spatial and temporal patterns that moderate the use of radio spectrum. Cognitive radio extends the sofware radio with radiodomain modelbased resoning about such etiquettes”. Tạm dịch là: “Vô tuyến nhận thức là sự phát triển của vô tuyến phần mềm và nó có thể thiết lập các thông số như băng tần, giao tiếp, giao thức trong môi trường biến đổi theo không gian và thời gian nhằm điều tiết việc sử dụng phổ vô tuyến”. Định nghĩa do giáo sư Simon Hayskin cha đẻ của vô tuyến nhận thức: “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 ” Tạm dịch là : “Vô tuyến nhận thức là một hệ thống truyền thông không dây thông minh có khả năng nhận biết được môi trường xung quanh và từ môi trường nó sẽ thích nghi với sự thay đổi của môi trường bằng cách thay đổi các thông số tương ứng (công suất truyền, tần số sóng mang, phương pháp điều chế) trong thời gian thực với hai vấn đề chính: i) truyền thông với độ tin cậy cao bất cứ khi nào và bất cứ nơi đâu và ii) sử dụng hiệu quả phổ vô tuyến.” Nhấn mạnh vào hệ thống phát tín hiệu, FFC đưa ra khái niệm vô tuyến nhận thức: “ A radio that can change its transmitter parameters based on interaction with the environment in which it operates.” Tạm dịch là : “Vô tuyến nhận thức là một sóng vô tuyến có khả năng thay đổi các thông số truyền dựa trên việc tương tác với môi trường xung quanh nó.” Tổ chức quản lí phổ quốc tế ITU lại định nghĩa vô tuyến nhận thức theo hướng khả năng của nó : “ A radio or system that senses and is aware of its operational environment and can dynamically and autonomously adjust its radio operating parameters accordingly.” Tạm dịch là: “Vô tuyến nhận thức là một hệ thống cảm biến và nhận biết được môi trường hoạt động và có thể điều chỉnh 1 cách linh hoạt, tự động các thông số hoạt động tương ứng của nó”. Theo IEEE: “Vô tuyến nhận thức là hệ thống phátnhận tần số vô tuyến mà được thiết kế thông minh để phát hiện một khoảng phổ đang sử dụng hay không, và nhảy (hoặc thoát khỏi nếu cần thiết) rất nhanh qua một khoảng phổ tạm thời không sử dụng khác, nhằm không gây nhiễu cho các hệ thống được cấp phép khác”. “Hệ thống vô tuyến thông minh là một hệ thống vô tuyến sử dụng công nghệ cho phép hệ thống có được thông tin của môi trường hoạt động và địa lý của hệ thống, các chính sách được thiết lập và trạng thái bên trong của hệ thống; để điều chỉnh các thông số hoạt động và các giao thức của hệ thống một cách linh hoạt và chủ động theo thông tin có được của hệ thống để đạt được các mục tiêu được định nghĩa trước; và để nghiên cứu từ các kết quả có được”.
Mục lục Danh mục hình vẽ III Thuật ngữ viết tắt V I Tổng quan 1.1 Tổng quan vô tuyến nhận thức – Cognitive Radio (CR) 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Mối quan hệ vô tuyến thông minh vô tuyến nhận thức 1.1.3 Nguyên nhân hình thành vơ tuyến nhận thức 1.1.4 Chức 1.1.5 Đặc điểm mạng vô tuyến nhận thức 1.2 Mơ hình hệ thống vơ tuyến nhận thức 1.2.1 Cấu trúc vật lý mạng vô tuyến nhận thức .7 1.2.2 Mơ hình nút mạng vô tuyến nhận thức 10 1.2.3 Mơ hình tổng thể mạng vơ tuyến nhận thức .12 1.2.4 Hoạt động mạng vô tuyến nhận thức 15 1.2.5 Các chuẩn mạng vô tuyến nhận thức 17 1.2.5.1 Chuẩn IEEE SCC 41 17 1.2.5.2 Chuẩn IEEE 802.22 cho khu vực mạng không dây (Wireless Regional Area Networks (WRANs)) 20 II Các chức hệ thống vô tuyến nhận thức 23 2.1 Cảm biến phổ 23 2.1.1 Cảm biến phát máy phát (phát không hợp tác) 24 2.1.2 Cảm biến dựa lọc kết hợp .24 2.1.3 Cảm biến dựa mức lượng tín hiệu 25 2.1.4 Cảm biến theo chế hợp tác 25 2.1.5 Cảm biến dựa nhiễu 26 2.2 Chia sẻ phổ 27 2.2.1 Theo cấu trúc mạng 27 2.2.2 Theo cách thức cấp phát phổ tần .27 2.2.3 Theo công nghệ truy cập 28 2.3 Quản lý phổ .29 2.3.1 Phân tích phổ .30 2.3.2 Quyết định phổ 31 2.4 Linh động phổ 31 III Vô tuyến định nghĩa mềm cho hệ thống vô tuyến nhận thức 33 3.1 Giới thiệu 33 3.2 Mối quan hệ SDR CR 34 3.3 Kiến trúc SDR 35 3.3.1 Kiến trúc SDR lí tưởng .35 3.3.2 Cấu trúc hệ thống SDR đơn giản 37 IV Ứng dụng vô tuyến nhận thức .40 4.1 Ứng dụng thông tin không dây nhận thức .40 4.1.1 Ứng dụng tối ưu hóa nâng cao chất lượng 41 4.1.2 Ứng dụng dịch vụ hệ thống thông tin không dây 46 Tài liệu tham khảo A Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Lịch sử hình thành vơ tuyến nhận thức Hình 1.2 Mối quan hệ vô tuyến thông minh vô tuyến nhận thức Hình 1.3 Lỗ hố phổ Hình 1.4 Sử dụng phổ linh động Hình 1.5 Kiến trúc vật lý vô tuyến nhận thức Hình 1.6 Mơ hình nút mạng vơ tuyến nhận thức .11 Hình 1.7 Minh họa ảnh hưởng phạm vi truyền dẫn người sử dụng người sử dụng phụ 11 Hình 1.8 Sơ đồ khối nút vô tuyến nhận thức 12 Hình 1.9 Mơ hình kiến trúc mạng vơ tuyến nhận thức .13 Hình 1.10 Mạng vơ tuyến nhận thức hoạt động băng tần cấp phép 16 Hình 1.11 Mạng vơ tuyến nhận thức hoạt động băng khơng cấp phép .17 Hình 1.12 Mối quan hệ thành phần IEEE SCC 41 .21 Hình 1.13 Cấu trúc siêu khung chuẩn IEEE 802.22 .23 Hình 1.14 Kết cấu khung IEEE 802.22 23 Hình 1.15 Cơ chế cảm biến thô tinh hệ thống IEEE 802.22 25 Hình 2.1 Phân loại kỹ thuật cảm biến phổ 26 Hình 2.2 Mơ hình nhiễu nhiệt 28 Hình 2.3 Chia sẻ phổ tần dựa công nghệ truy nhập 30 Hình 2.4 Chia sẻ phổ tần chồng lấn 31 Hình 2.5 Chia sẻ phổ tần chìm 32 Hình 2.6 Quá trình linh động phổ .34 Hình 3.1 Mối quan hệ SDR CR 38 Hình 3.2 Cấu trúc hệ thống SDR lí tưởng 39 Hình 3.3 Cấu trúc đơn giản máy thiết bị vô tuyến SDR 41 Hình 3.4 Cấu trúc SDR có sử dụng tần số trung tần 42 Hình 3.5 Cấu trúc SDR sử dụng tần số trung tần FPGA 43 Hình 3.6 Sự chuyển phổ tín hiệu khơng sử dụng tần số trung tần 43 Hình 3.7 Cấu trúc SDR với thành phần chủ yếu 44 Hình 4.1 Phân loại ứng dụng vô tuyến nhận thức 46 Hình 4.2 Tài ngun thơng tin khơng dây 47 Hình 4.3 Các thiết bị hệ thống thơng tin khơng dây .48 Hình 4.4 Thơng tin nhiều phổ mạng khác 49 Hình 4.5 Tối ưu mạng .51 Hình 4.6 Hệ thống thơng tin khơng dây tương kết 52 Hình 4.7 Phân loại ứng dụng vô tuyến nhận thức vào dịch vụ người dùng 56 Hình 4.8 Ứng dụng vơ tuyến nhận thức thói quen người dùng .56 Thuật ngữ viết tắt Chữ viết tắt ADC AF BS CDMA CPE CR FCC LNA QoS PU RF RX SCH SDR Tên tiếng anh Analog-Digital Convertor Amplify and Forward Base Station Code Division Multiple Access Consumer Premise Equipment Cognitive Radio Federal Communications Commission Frequency Division Multiple Access Institute of Electrical and Electronics Engineers International Telecommunications Union Low Noise Amplifier Quality of Service Primary User Radio Frequency Receiver Superframe Control Header Software Difined Radio SNR SU TDMA Signal-to-Noise Ratio Secondary User Time Division Multiple Access UWB Ultra Wideband FDMA IEEE ITU Nghĩa tiếng Việt Chuyển đổi tương tự - số Khuếch đại chuển tiếp Trạm sở Đa truy cập phân chia theo mã Thiết bị sử dụng Vô tuyến nhận thức Ủy ban truyền thông liên bang Đa truy cập phân chia theo tần số Viện kỹ nghệ điện tử Liên minh viễn thông Quốc tế Bộ khuếch đại nhiễu thấp Chất lượng dịch vụ Người dùng Tần số vơ tuyến Máy thu Tiêu đề điều khiển siêu khung Vô tuyến định nghĩa phần mềm Tỷ số tín hiệu nhiễu Người dùng phụ Đa truy nhập phân chia theo thời gian Di động siêu băng rộng I Tổng quan 1.1 Tổng quan vô tuyến nhận thức – Cognitive Radio (CR) 1.1.1 Khái niệm Vô tuyến nhận thức mô hình mà có khả tự nhận thức thực thể, nhạy cảm với thay đổi môi trường xung quanh có khả tương tác với mơi trường cách thích nghi để tự cấu hình hay tái thiết lập mạng, ý tưởng kỹ thuật hoàn toàn nghiên cứu Việt Nam Cho đến có nhiều định nghĩa khác vô tuyến nhận thức như: - Thuật ngữ CR xuất lần báo Joseph Mitola III Gerald Q Maguire vào năm 1999 Họ nhận thấy vô tuyến nhận thức cải tiến vô tuyến phần mềm (software radio) định nghĩa rằng: “Radio etiquette is the set of RF bands, air interfaces, protocols, and spatial and temporal patterns that moderate the use of radio spectrum Cognitive radio extends the sofware radio with radio-domain model-based resoning about such etiquettes” Tạm dịch là: “Vô tuyến nhận thức phát triển vơ tuyến phần mềm thiết lập thơng số băng tần, giao tiếp, giao thức môi trường biến đổi theo không gian thời gian nhằm điều tiết việc sử dụng phổ vô tuyến” - Định nghĩa giáo sư Simon Hayskin - cha đẻ vô tuyến nhận thức: “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 ” Tạm dịch : “Vô tuyến nhận thức hệ thống truyền thông không dây thông minh có khả nhận biết mơi trường xung quanh từ mơi trường thích nghi với thay đổi môi trường cách thay đổi thơng số tương ứng (cơng suất truyền, tần số sóng mang, phương pháp điều chế) thời gian thực với hai vấn đề chính: i) truyền thơng với độ tin cậy cao nơi đâu ii) sử dụng hiệu phổ vô tuyến.” - Nhấn mạnh vào hệ thống phát tín hiệu, FFC đưa khái niệm vô tuyến nhận thức: “ A radio that can change its transmitter parameters based on interaction with the environment in which it operates.” Tạm dịch : “Vơ tuyến nhận thức sóng vơ tuyến có khả thay đổi thơng số truyền dựa việc tương tác với mơi trường xung quanh nó.” - Tổ chức quản lí phổ quốc tế ITU lại định nghĩa vô tuyến nhận thức theo hướng khả : “ A radio or system that senses and is aware of its operational environment and can dynamically and autonomously adjust its radio operating parameters accordingly.” Tạm dịch là: “Vô tuyến nhận thức hệ thống cảm biến nhận biết môi trường hoạt động điều chỉnh cách linh hoạt, tự động thơng số hoạt động tương ứng nó” - Theo IEEE: “Vô tuyến nhận thức hệ thống phát/nhận tần số vô tuyến mà thiết kế thông minh để phát khoảng phổ sử dụng hay khơng, nhảy (hoặc khỏi cần thiết) nhanh qua khoảng phổ tạm thời không sử dụng khác, nhằm không gây nhiễu cho hệ thống cấp phép khác” “Hệ thống vô tuyến thông minh hệ thống vô tuyến sử dụng công nghệ cho phép hệ thống có thơng tin mơi trường hoạt động địa lý hệ thống, sách thiết lập trạng thái bên hệ thống; để điều chỉnh thông số hoạt động giao thức hệ thống cách linh hoạt chủ động theo thơng tin có hệ thống để đạt mục tiêu định nghĩa trước; để nghiên cứu từ kết có được” ( Nguồn: Báo cáo ITU–R SM.2152.) Hình 1.1 Lịch sử hình thành vơ tuyến nhận thức 1.1.2 Mối quan hệ vô tuyến thông minh vô tuyến nhận thức Vô tuyến thông minh cung cấp chức vô tuyến linh hoạt cách tránh sử dụng phận mạch tương tự cố định Trong đó, vơ tuyến nhận thức định nghĩa hệ thống vơ tuyến có khả nhận biết môi trường xung quanh điều chỉnh tham số truyền phát để tối ưu hiệu hệ thống Do đó, vơ tuyến nhận thức cần dựa vơ tuyến thơng minh để phát triển Hay nói cách khác, vơ tuyến thơng minh cơng nghệ lõi vơ tuyến nhận thức Hình 1.1 trình bày mối quan hệ vô tuyến thông minh vô tuyến nhận thức hệ thống vơ tuyến nhận thức bao gồm phận nhận thức, vô tuyến thông minh, số thành phần chức khác cảm biến để tạo nên hệ thống Hình 1.2 Mối quan hệ vô tuyến thông minh vô tuyến nhận thức 1.1.3 Ngun nhân hình thành vơ tuyến nhận thức Theo Ed Thomas: “ Nếu xét toàn giản tần số vô tuyến từ đến 100 GHz quan trắc thời gian không gian cự thể, có từ 5% đến 10% lượng phổ tần sử dụng” Như vậy, có 90% tài ngun phổ tần vơ tuyến bị lãng phí Như biết, dải tần số sóng vơ tuyến tài nguyên quản lí tổ chức viễn thơng phủ Và hệ thống thu phát vô tuyến muốn sử dụng tần số phải cấp phép tổ chức Ngày nay, với phát triển khoa học kĩ thuật nói chung lĩnh vực điện tử - viễn thơng nói riêng, dải tần số dần trở nên chật hẹp gia tăng số lượng hệ thống vô tuyến chuẩn giao tiếp FM, AM, TV, Mobile network,Wifi,Wimax Điều nghịch lí chỗ phổ tần số ngày chật hẹp hiệu suất sử dụng tài nguyên tần số lại thấp Theo thống kê Hội đồng viễn thông liên bang Mĩ (FCC) hiệu suất sử dụng tài nguyên phổ tần số vào khoảng 15% đến 85% Hiệu suất thay đổi dựa vào đặc điểm hệ thống mạng viễn thông vùng địa lí (mạng dày đặc hay thưa thớt) thời điểm sử dụng (giờ cao điểm hay bình thường) Vơ tuyến nhận thức với truy cập phổ động vuợt qua vấn đề mà ta đề cập Vô tuyến nhận thức không cơng nghệ vơ tuyến mà chứa thay đổi mang tính cách mạng việc quản lí phổ Vơ tuyến thiết kế để sử dụng chia sẻ linh hoạt phổ mà không ảnh hưởng hệ thống vô tuyến cấp phép Với công nghệ vô tuyến nhận thức, thiết bị vô tuyến nhận thức sử dụng để cảm ứng, nhận diện sử dụng phổ tần vô tuyến hiệu theo thời gian, không gian tần số Gần đây, nhà khoa học định nghĩa khoảng tần số không sử dụng khoảng trắng hay hố phổ: Hình 1.3 biểu diễn hố phổ theo thời gian, tần số công suất Việc sử dụng hố phổ khó khăn chỗ hó phổ khơng có định mà thay đổi liên tục ứng với thay đổi nhu cầu sử dụng hệ thống sơ cấp Hình 1.3 Lỗ hố phổ Mục đích mạng vơ tuyến nhận thức sử dụng hiệu tài nguyên bao gồm tần số, thời gian công suất truyền tải Hiệu việc sử dụng quang phổ đóng vai trò ngày quan trọng hệ thống truyền thông vô tuyến tương lai có nhiều người dùng với dịch vụ cao Công nghệ vô tuyến nhận thức sử dụng hệ thống có mức ưu tiên thấp để cải thiện hiệu quang phổ cách cảm nhận môi triển khai ứng dụng phân tán Cho phép hợp nhanh ứng dụng bên ngoài, dễ dàng đưa công nghệ vào ứng dụng hệ thống Trong cấu trúc SDR bản, phần chuyển đổi ADC, DAC có vai trò quan trọng Yêu cầu với chúng không tốc độ chuển đổi mà phải có tốc độ xác, sai số lượng tử hóa phải mức chấp nhận tức phải có hiệu suất chuyển đổi cao Ngồi sử dụng xử lí tín hiệu số DSP cấu trúc thiết bị vơ tuyến cấu hình mềm SDR có phần chức quan trọng khác như: mạch cao tần phải dảm bảo độ tuyến tính dải tần rộng, chuyển chế độ nhanh khuếch đại công suất cho nhiều sóng mang khác nhau, cho dạng tín hiệu khác nhau, DUC, DDC, lọc số, mạch cân bằng… (hình 3.7) cần phải thiết kế đảm bảo yêu cầu hoạt động dải tần rộng với đa dạng chế độ công tác Phần điều khiển chung phần lưu trữ cấu hình hệ thống tổ chức để thuận tiện cho thay đổi, tác động, nạp phần mềm vào thiết bị nên cần có giao tiếp chuẩn kết nối với máy tính để thuận tiện cho người lập trình Hình 3.7 Cấu trúc SDR với thành phần chủ yếu Với tổ chức thành phần sử dụng kít: module xử lí kênh, module điều chế - mã hóa/giải điều chế - giải mã, module điều khiển module xử lí tín hiệu băng gốc Trong số yêu câù cụ thể cần dùng nhiều kênh khác nên dùng nhiều phần xử lí kênh Các thành phần nạp vào chip FPGA tài nguyên đủ lớn điều khiển khối điều khiển, nhúng chip FPGA Nhà sản xuất thiết bị cung cấp lõi cho người dùng thuận tiện hơn, rút ngắn thời gian thử nghiệm, kiểm tra tiến tới hoàn thiện thiết kế thiết bị IV Ứng dụng vô tuyến nhận thức 4.1 Ứng dụng thông tin không dây nhận thức Vô tuyến nhận thức ứng dụng rộng rãi việc cải thiện hoạt động hệ thống thông tin không dây cuãng thiết lập hệ thống thơng tin khơng dây Hình 4.1 phân loại ứng dụng vô tuyến nhận thức thơng tin khơng dây Hình 4.1 Phân loại ứng dụng vô tuyến nhận thức 4.1.1 Ứng dụng tối ưu hóa nâng cao chất lượng Tài ngun vơ tuyến khơng dây có giới hạn Do mà cần phải xem xét cẩn thận có kế hoạch sử dụng nguồn tài ngyên cách hợp lý Nguồn tài nguyên bao gồm phổ, phần cứng/phần mềm, kiến trúc hạ tầng mạng cơng suất Hình 3.2 mơ tả tài ngun vơ tuyến khơng dây tối ưu hóa ứng dụng vơ tuyến nhận thức Nó giúp cải thiện chất lượng hệ thống thơng tin Hình minh họa hệ thống thơng tin nói chung với thiết bị khơng dây đa dạng mà chất lượng cải thiện nhờ vô tuyến nhận thức Hình 4.2 Tài ngun thơng tin khơng dây Phần cứng phần mềm Phần cứng phần thực việc truyền/nhận thông tin liên lạc Cụm từ phần cứng/phần mềm nguồn tài nguyên mà vô tuyến nhận thức sử dụng thơng minh để cải thiện hoạt động thông tin Một ưu điểm ứng dụng vô tuyến nhận thức dựa vào SDR khả nâng cấp phần cứng thông qua thay đổi phần mềm Nó có thể: - Giảm việc nhu cầu thay phần cứng - Giảm giá thành vận hành, thay thế, nhân công thấp - Sẵn sàng cho nhiều ứng dụng - Giảm phức tạp phần cứng Hình 4.3 Các thiết bị hệ thống thông tin không dây Vô tuyến nhận thức giúp cho nút mạng tải phần mềm nâng cấp từ nút lân cận Chúng kết hợp với để chia sẻ nguồn tài nguyên phần cứng/mềm Ứng dụng quan trọng khác vô tuyến nhận thức dựa vào SDR: - Cấu hình phần cứng để hoạt động mạng Một điện thoại di động hoạt động mạng GSM thiết lập kết nối dựa mạng WLAN tình khẩn cấp - Cấu hình phần cứng để hoạt động phổ cách sử dụng dạng sóng tương thích Khi cảm biến khoảng phổ trống, vô tuyến nhận thức điều chỉnh thơng số tín hiệu (băng thơng, tần số, điều chế, mã hóa) tương ứng với điều kiện phổ chọn Kết cải thiện chất lượng liên lạc tốt Hình 4.4 Thơng tin nhiều phổ mạng khác Công suất Tối ưu công suất quan trọng kết nối khơng dây thời gian, giúp trì chất lượng kết nối u cầu Vơ tuyến nhận thức cải thiện việc sử dụng công suất hệ thống thông tin Một số ứng dụng vô tuyến nhận thức liên quan đến công suất sau: - Điều khiển cơng suất thích nghi: Điều chỉnh cơng suất tương ứng với chất lượng kết nối thực nhiều hệ thống khơng dây thích nghi Tuy nhiên, điều chỉnh bị động giới hạn Vơ tuyến nhận thức vượt qua giới hạn điều chỉnh cơng suất chất lượng kết nối - Tối ưu công suất cách tự tắt tạm ngưng hoạt nhiệm vụ ưu tiên thấp, thông báo người dùng mức công suất đạt đến mức ngưỡng xác định Điều giúp tiết kiệm công suất cho hệ thống để sử dụng cho nhiệm vụ ưu tiên cao - Cho phép truyền có thay đổi hình hay âm cảnh quan sát nhằm tiết kiệm công suất Phổ Tài nguyên phổ bên dải băng tần gán cố định bao gồm: - Bất kì băng tần cấp phép sử dụng ví dụ băng GSM cho mạng điện thoại - Bất kì băng tần cấp phép khơng sử dụng ví dụ phổ băng tần dành cho an tồn cơng cộng hay băng tần TV - Bất kỳ băng tần không cấp phép băng tần dành cho công nghiệp, khoa học, y tế (IMS) - Bất kỳ băng tần không cấp phép sử dụng băng tần 60 GHz Việc sử dụng tài nguyên phổ nghiêm ngặt Vô tuyến nhận thức giúp sử dụng tài nguyên cách hiệu tối ưu Vơ tuyến nhận thức cho phép nhảy đến phổ với nhiễu thấp SNR tốt Nó thiết lập liên lạc cà đâu có phổ sẵn sàng Mạng Mạng bao gồm tài nguyên phần cứng/mềm nguồn, đích phần tử đường kết nối thông tin không dây Mạng tối ưu với kết nối cụ thể phụ thuộc vào nút mạng riêng lẻ kết hợp Các tác vụ mạng thực vơ tuyến nhận thức nút riêng lẻ Tuy nhiên hiệu cong phụ thuộc vào hoạt động mạng Tối ưu lớp ngang: Bao gồm tối ưu chức giao thức Vơ tuyến nhận thức giám sát giao thức thích nghi giao thức phụ thuộc vào ứng dụng, mạng, nhu cầu khác Học mạng: Bao gồm sử dụng kiến thức mạng để tái cấu hình thơng số mạng nhằm cải thiện khả mạng, xử lí nhiều ứng dụng, thực quyền ưu tiên có tắc nghẽn mạng Một số tác vụ mạng kết hợp ứng dụng vô tuyến nhận thức Tối ưu đường truyền: Vơ tuyến nhận thức xác định đường truyền tối ưu tái cấu hình thơng số mạng để sử dụng đường truyền Kết tài nguyên mạng tối ưu cực tiểu thời gian trễ giá thành Thay đổi cấu trúc liên kết: Thay đổi tự động cấu trúc liên kết mạng để thiết lập trì liên lạc nguồn đích Vơ tuyến nhận thức xếp lại mạng nguồn đích để tối ưu hoạt động tài nguyên mạng An ninh mạng: Vô tuyến nhận thức cung cấp an ninh cấp độ cao để chống lại xâm nhập tin tặc phá hủy mạng Mạng nâng cấp phần mềm: Nâng cấp thành phần mạng thông qua phần mềm nhằm giúp giảm việc thay thiết bị phần cứng có kết nối hay cơng nghệ Hình 4.5 Tối ưu mạng Ứng dụng tương kết Sự tương kết công cụ hữu hiệu miền vô tuyến nhận thức giúp cho hệ thống thông tin khơng dây vượt qua rào cản giới hạn Để biến hệ thống tương kết lý tưởng thành thực phải thời gian dài Tuy nhiên, số ứng dụng vô tuyến nhận thức giúp quản lý sách cách thông minh, tối ưu lớp ngang, sử dụng kiến thức mạng, cấu hình hệ thống Vơ tuyến nhận thức xây dựng SDR mà có khả giải vấn đề tương kết hệ thống vô tuyến Ứng dụng tương kết áp dụng quan đội an ninh cơng cộng Vai trò thiết bị tương kết, dịch vụ, mạng, phổ có tính định ứng dụng Trong phần khác, ví dụ ứng dụng khách hàng, vơ tuyến nhận thức đề nghị tương kết dịch vụ có phổ cấp phép, khơng phép mạng khác Hình 4.6 Hệ thống thơng tin khơng dây tương kết 4.1.2 Ứng dụng dịch vụ hệ thống thông tin không dây Lĩnh vực cá nhân Mơi trường gia đình nhà Cơng nghệ phần thiết yếu sống đại Tận hưởng thời gian cách chất lượng với gia đình điều quan trọng Kết khơng ranh giới nhà cơng sở Một người ngồi nhà họp với đối tác thông qua mạng WLAN Trong người hàng xóm truy cập mạng cho nhu cầu giải trí Hệ thống thơng tin khơng dây truyền thống khó hoạt động thông suất truy cập cao điểm Tuy nhiên, hệ thống vơ tuyến nhận thức dò tìm sử dụng khoảng phổ trống để tránh tắc nghẽn truy cập cao điểm thỏa mãn nhu cầu người dùng Hình 4.7 Phân loại ứng dụng vô tuyến nhận thức vào dịch vụ người dùng Môi trường trường học Khi đứa trẻ đến trường yếu tố an tồn quan tâm Một thiết bị gắn vào người học sinh để truyền thông tin cho điều khiển trung tâm đặt nhà hay trường học giúp giáo viên phụ huynh quản lý em Bất đứa tre không tuân theo quy định thiết lập báo cáo gửi trung tâm Việc truyền thơng tin cần có kênh truyền thơng suốt để phận điều khiển cập nhật báo cáo, Do mà cần ứng dụng hệ thống vô tuyến nhận thức Môi trường công sở Vơ tuyến nhận thức ưu tiên kết nối mạng dựa vào trạng thái ưu tiên Ví dụ có họp quan trọng dành kết nối mạng với ưu tiên cao khoảng phổ sẵn có để sử dụng Vơ tuyến nhận thức liên tục cập nhật trạng thái bảng ưu tiên để dựa vào quản lí chia sẻ phổ cách hợp lí Nhận thức khơng gian Xác định vị trí địa hình xung quanh kết nối thơng tin cải thiện kết nối Vơ tuyến nhận thức sử dụng tín hiệu RF, thơng tin mạng, tài ngun thiết bị, hệ thống, giá trị/thông tin cảm biến, thông tin GPS để định vị cho hệ thống hay thiết bị Một xác định vị trí, thông tin gửi cho trung tâm điều khiển để rút thông tin kênh truyền tương ứng Vô tuyến nhận thức sử dụng thơng tin để cải thiện chất lượng hệ thống thông tin Chuyển vùng Vơ tuyến thơng minh cho phép người dùng chuyển xuyên biên giới với sách luật thay đổi Từ đàm phán với nhiều nhà cung cấp để thiết lập kết nối sẵn sàng có chi phí thấp Quản lí chất lượng QoS Chất lượng dịch vụ thay đổi từ ứng dụng sang ứng dụng khác Vô tuyến nhận thức tối ưu thời gian truyền, lựa chọn băng thông kênh truyền điều chỉnh dịch vụ cung cấp có thay đổi chất lượng kết nối công suất Giao tiếp người – máy Một đặc điểm vơ tuyến nhận thức khả tương tác tự động thiết bị thông tin với người dùng Có số ứng dụng dựa khả tương tác ấy:Xác thực người dùng: Vơ tuyến nhận thức nhận thức đặc điểm riêng để xác định người dùng giọng nói, dấu vân tay từ giúp trung tâm điều khiển xác định người dùng - Trạng thái người dùng: Vơ tuyến nhận thức xác định trạng thái người dùng như: vui buồn, sợ hãi, … dựa vào mức âm lượng giọng nói hành động Chẳng hạn người dùng sợ hãi, vô tuyến nhận thức phát tự động gọi cho trung tâm để giúp đỡ - Thói quen người dùng: Vơ tuyến nhận thức học thói quen người dùng số điện thoại hay gọi nhất, trang web hay truy cập nhất, … từ kiến thức đưa định phù hợp tùy hoàn cảnh Nhận biết người dùng Vơ tuyến nhận thức cảm biens mức độ nhận biết người dùng Khi người dùng khơng nắm bắt thơng tin nhận, định lặp lại việc truyền nhằm cải thiện giao tiếp hai người dùng Lĩnh vực phủ (Cơng cộng: bảo vệ, an ninh, an tồn tình thảm họa) Vơ tuyến thơng minh ứng dụng an tồn cơng 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 thơng khẩn cấp u cầu lượng phổ đáng kể để xử lý lượng lưu lượng lớn, bao gồm thoại, video, liệu Các mạng vơ 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 vơ tuyến nhận thức để giải vấn đề phủ bảo vệ, an ninh, an tồn, tình thảm họa Quản lí cứu hộ tình thảm họa Trong trường hợp thảm họa xảy ra, mạng không dây cá nhân mạng điện thoại khơng hoạt động khoảng phổ dùng cho an ninh công cộng tải số lượng kết nối khẩn cấp Lúc vơ tuyến nhận thức sử dụng khoảng phổ trống có phép không phép thiết bị mạng không đồng để thiết lập trì kết nối khẩn cấp tạm thời Ví dụ thiết lập kết nối băng GSM sử dụng điểm truy cập WLAN Hình 4.8 Ứng dụng vơ tuyến nhận thức thói quen người dùng 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 thơng 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 Vơ tuyến nhận thức thiết lập kết nối hiệu tùy vào điều kiện kênh truyền (sức gió, độ nóng, độ ẩm) nhằm trì việc trao đổi thơng tin lính cứu hỏa phận huy Chống tội phạm Các thông tin liên quan đén tội phạm quan trọng trình điều tra phải mang tính bảo mật Vơ tuyến nhận thức giúp việc trao đổi thơng tin cách nhanh chóng mang tính bảo mật cao, ngăn chặn người dùng không xác thực đánh cắp thông tin Điều khiển giao thông Giao thông vấn đề lớn đặc biệt vào cao điểm Trung tâm quản lí giao thơng truyền thơng tin vị trí giao thơng tắc nghẽn, dự đốn đưa đường thay cho người tham gia giao thông nhờ vào hệ thống vô tuyến nhận thức Tại cột đèn báo hiệu giao thông, dựa vào thông tin nhận lưu lượng người hướng để định đèn xanh đỏ sẵn sàng Y tế Trong tình hướng 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 thơng rộng để truền tín hiệu thoại video tình trạng bệnh nhân để chuẩn đốn đưa phương pháp điều trị kịp thời Do vô tuyến nhận thức ứng dụng nhằm đảm bảo nhanh chóng, thơng 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 Vơ tuyến nhận thức có khả phát mô bất thường hay tế bào máu thể người báo cáo bác sĩ Nó đóng vai trò quan trọng việc cứu người - Trợ giúp cho người mù: Vơ tuyến nhận thức đóng vai trò đơi mắt cảu người mù Nó nhận thơng tin khu vực an tồn 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 Môi trường Dự báo thời tiết: Mạng lưới cảm biến dùng để phát thông số thời tiết nhiệt độ, tốc dộ gió, áp suất khơng khí, độ ẩm thời gian dài Nếu chúng trang bị khả nhận thức, chúng liên lạc qua lại mà khơng cần can thiệp người Bằng cách cảm biến phát hiện, thu thập, chia sẻ thông tin để tối ưu háo hoạt động Sau thu thập đầy đủ, liệu gửi trung tâm điều khiển cảm biến gần để tối ưu công suất sử dụng thời gian trễ - Kiểm sốt nhiễm khơng khí: Phát tạp chất khơng khí ưu tiên để bảo vệ sức khỏe người Vơ tuyến nhận thức ước lượng thơng minh tạp chất khơng khí, truy xuất liệu liên quan đến ô nhiễm báo động mức độ ô nhiễm vượt qua giới hạn cho phép Mức ngưỡng vơ tuyến nhận thức điều chỉnh phụ thuộc vào yếu tố khác - Hiện tượng nóng lên tồn cầu: Đây đè tài nóng giới đại nới 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 tốn 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 Quân đội Một ứng dụng tiềm mạng vô tuyến thông minh môi trường vô tuyến qn đội Các mạng vơ tuyến thơng minh cho phép vô tuyến quân đội lựa chọn băng tần số trung tần (IF), sơ đồ điều chế cà sơ đồ mã hóa tùy ý, thích ứng với môi trường vô tuyến biến đổi chiến trường Các mạng quân đội cần bảo mật cao bảo vệ thơng tin mơi trường có địch Các mạng vơ tuyến thơng minh cho phép nhân viên quân đội thực chuyển giao phổ để tìm băng phổ an tồn cho họ phe đông minh họ Tài liệu tham khảo Cognitive radio Achitecture – The Engineering foundations of radio XML; Tác giả: Joseph mitolaIII; NXB: Weley Cognitive Radio Technology; Tác giả: Bruce Fette; NXB: Newnes Next Generation Wireless Systems and Networks; Tác giả: Hsiao-Hwa Chen and Mohsen Guizani; NXB: Weley Báo cáo luận án tiến sĩ: Truyền thông kết hợp môi trường vô tuyến nhận thức: cải thiện đánh giá hiệu mạng thứ cấp; Tác giả: Nguyễn Văn Chính ... thành vô tuyến nhận thức 1.1.2 Mối quan hệ vô tuyến thông minh vô tuyến nhận thức Vô tuyến thông minh cung cấp chức vô tuyến linh hoạt cách tránh sử dụng phận mạch tương tự cố định Trong đó, vơ tuyến. .. truyền 1.2 Mơ hình hệ thống vô tuyến nhận thức 1.2.1 Cấu trúc vật lý mạng vô tuyến nhận thức Kiến trúc tổng quan thu phát vô tuyến nhận thức hình 1.5 Thành phần thu phát vô tuyến nhận thức đầu cuối... mạng việc quản lí phổ Vơ tuyến thiết kế để sử dụng chia sẻ linh hoạt phổ mà không ảnh hưởng hệ thống vô tuyến cấp phép Với công nghệ vô tuyến nhận thức, thiết bị vô tuyến nhận thức sử dụng để