Tìm hiểu về vô tuyến nhận thức – Cognitive Radio (CR)

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

1.1 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

1

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

2

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

3

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

4

Thuật ngữ viết tắt

Chữ viết tắt Tên tiếng anh Nghĩa tiếng Việt

ADC Analog-Digital Convertor Chuyển đổi tương tự - số

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mãCPE Consumer Premise Equipment Thiết bị sử dụng đầu tiên

FCC Federal Communications

Commission

Ủy ban truyền thông liên bang

FDMA Frequency Division Multiple

Liên minh viễn thông Quốc tế

LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại nhiễu thấp

SCH Superframe Control Header Tiêu đề điều khiển siêu khungSDR Software Difined Radio Vô tuyến định nghĩa bằng

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

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian

5

- Thuật ngữ CR xuất hiện lần đầu tiên trong một bài báo của JosephMitola III và Gerald Q Maguire vào năm 1999 Họ nhận thấy vô tuyến nhậnthức là một sự cải tiến của vô tuyến phần mềm (software radio) và định nghĩarằng:

“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 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 trườngbiến 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 dâythông minh có khả năng nhận biết được môi trường xung quanh và từ môitrường nó sẽ thích nghi với sự thay đổi của môi trường bằng cách thay đổi cácthông 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 tuyếnnhận 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 đổicác 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 theohướng 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 đượcmôi trường hoạt động và có thể điều chỉnh 1 cách linh hoạt, tự động các thông sốhoạt động tương ứng của nó”

- Theo IEEE: “Vô tuyến nhận thức là hệ thống phát/nhận tần số vô tuyến

mà được thiết kế thông minh để phát hiện một khoảng phổ đang sử dụng haykhông, và nhảy (hoặc thoát khỏi nếu cần thiết) rất nhanh qua một khoảng phổtạm thời không sử dụng khác, nhằm không gây nhiễu cho các hệ thống được cấpphép 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 lýcủa 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 cáchlinh hoạt và chủ động theo thông tin có được của hệ thống để đạt được các mụctiêu được định nghĩa trước; và để nghiên cứu từ các kết quả có được”

( Nguồn: Báo cáo ITU–R SM.2152.)

Hình 1.1 Lịch sử hình thành của vô tuyến nhận thức

1.1.2 Mối quan hệ giữa vô tuyến thông minh và vô tuyến nhận thức

Vô tuyến thông minh cung cấp một chức năng vô tuyến rất linh hoạt bằngcách tránh sử dụng các bộ phận và mạch tương tự cố định Trong đó, vô tuyếnnhận thức như định nghĩa ở trên là hệ thống vô tuyến có khả năng nhận biết môitrường xung quanh và điều chỉnh các tham số truyền và phát để tối ưu hiệu năng

hệ thống Do đó, vô tuyến nhận thức cần dựa trên vô tuyến thông minh để pháttriển Hay nói cách khác, vô tuyến thông minh chính là công nghệ lõi của vôtuyến nhận thức Hình 1.1 trình bày mối quan hệ giữa vô tuyến thông minh và vôtuyến nhận thức trong đó hệ thống vô tuyến nhận thức bao gồm bộ phận nhậnthức, vô tuyến thông minh, và một số thành phần chức năng khác như cảm biến

để tạo nên hệ thống

Hình 1.2 Mối quan hệ giữa vô tuyến thông minh và vô tuyến nhận thức

1.1.3 Nguyên nhân hình thành vô tuyến nhận thức

Theo Ed Thomas: “ Nếu xét toàn bộ giản tần số vô tuyến từ 0 đến 100GHz và quan trắc ở một thời gian và không gian cự thể, thì chỉ có từ 5% đến10% lượng phổ tần được sử dụng” Như vậy, có hơn 90% tài nguyên phổ tần vôtuyến bị lãng phí

Như chúng ta đã biết, dải tần số của sóng vô tuyến là một tài nguyên đượcquản lí bởi các tổ chức viễn thông của chính phủ Và bất cứ hệ thống thu phát vôtuyến nào muốn sử dụng tần số đều phải được cấp phép bởi các tổ chức đó.Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật nói chung và lĩnh vựcđiện tử - viễn thông nói riêng, dải tần số đang dần trở nên chật hẹp bởi sự giatăng số lượng các hệ thống vô tuyến cũng như các chuẩn giao tiếp như FM, AM,

TV, Mobile network,Wifi,Wimax Điều nghịch lí ở chỗ là mặc dù phổ tần sốđang ngày càng chật hẹp thì hiệu suất sử dụng tài nguyên tần số lại rất thấp.Theo thống kê của Hội đồng viễn thông liên bang của Mĩ (FCC) thì hiệu suất sửdụng tài nguyên phổ tần số chỉ vào khoảng 15% đến 85% Hiệu suất này thay

đổi dựa vào đặc điểm hệ thống mạng viễn thông ở từng vùng địa lí (mạng dàyđặc hay thưa thớt) và thời điểm sử dụng (giờ cao điểm hay bình thường).

Vô tuyến nhận thức cùng với truy cập phổ động có thể vuợt qua vấn đề

mà ta đã đề cập ở trên Vô tuyến nhận thức không chỉ là công nghệ vô tuyến mới

mà còn chứa những thay đổi mang tính cách mạng trong việc quản lí phổ Vôtuyến mới này được thiết kế để sử dụng và chia sẻ linh hoạt phổ mà không ảnhhưởng hệ thống vô tuyến cấp phép Với công nghệ vô tuyến nhận thức, các thiết

bị vô tuyến nhận thức được sử dụng để cảm ứng, nhận diện và sử dụng phổ tần

vô tuyến hiệu quả hơn nữa theo thời gian, không gian và tần số

Gần đây, các nhà khoa học định nghĩa những khoảng tần số không được

sử dụng là khoảng trắng hay hố phổ:

Hình 1.3 biểu diễn hố phổ theo thời gian, tần số và công suất Việc sửdụng các hố phổ này khó khăn ở chỗ là những hó phổ này không có định màthay đổi liên tục ứng với sự thay đổi của nhu cầu sử dụng của hệ thống sơ cấp

Hình 1.3 Lỗ hoặc hố phổ

Mục đích của mạng vô tuyến nhận thức là sử dụng hiệu quả tài nguyênbao gồm tần số, thời gian và công suất truyền tải Hiệu quả trong việc sử dụngquang phổ đang đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong các hệ thốngtruyền thông vô tuyến trong tương lai vì sẽ có nhiều người dùng với các dịch vụcao Công nghệ vô tuyến nhận thức có thể được sử dụng trong các hệ thống cómức ưu tiên thấp hơn để cải thiện hiệu quả quang phổ bằng cách cảm nhận môi

trường phổ và sau đó phát hiện các khoảng phổ còn trống để cấp phép sử dụng.Tần số không sử dụng có thể được coi như một hố phổ tần số mà từ đó có thểđược giao cho người sử dụng phụ (SU) Sự liên kết trong việc sử dụng phổ vôtuyến là một trường hợp đặc biệt của mạng vô tuyến nhận thức Ngoài ra, kỹthuật vô tuyến nhận thức có thể được sử dụng trong mạng lưới được cấp phép đểnâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần.

1.1.4 Chức năng

Vô tuyến nhận thức có 4 chức năng chính:

- Cảm biến phổ (Spectrum sensing)

- Quản lý 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 phổnào tối ưu, đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng trong mạng thông tin nhưQoS (Quality of service) Chức năng này có thể được chia làm 2 bước: phân tíchphổ và quyết định phổ

- Sử dụng phổ linh hoạt (Spectrum mobility): CR có thể linh hoạt thay đổitần số đang sử dụng để chuyển qua một tần số sẵn có khác mà có thể cải thiệnđược chất 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 phổgiữa các CR để có thể cùng sử dụng dải băng tần một cách công bằng, hợp lýtránh đụng độ nhau

Hình 1.4 Sử dụng phổ linh động

1.1.5 Đặc điểm mạng vô tuyến nhận thức

Dựa vào một số phân tích ở trên, mạng vô tuyến nhận thức có các đặcđiểm 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 biếnđổi của 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, cácphần phổ không sử dụng tại một thời điểm hoặc vị trí nhất định có thể được xácđịnh Từ đó, nó có thể lựa chọn được phổ tốt nhất với các thông số hoạt độngphù hợp 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 phầncứng hỗ trợ Một số thông số tự cấu hình cần chú ý là: tần số hoạt động, điềuchế, công suất phát, công nghệ truyền

1.2 Mô hình hệ thống của vô tuyến nhận thức

1.2.1 Cấu trúc vật lý của mạng vô tuyến nhận thức

Kiến trúc tổng quan của bộ thu phát vô tuyến nhận thức được chỉ ra trênhình 1.5 Thành phần chính của bộ thu phát vô tuyến nhận thức là đầu cuối RF(RF front-end) và khối xử lý băng gốc Mỗi thành phần có thể tự cấu hình thôngqua một bus điều khiển để thích ứng với môi trường RF biến đổi theo thời gian.Trong đầu cuối RF, tín hiệu thu được khuếch đại, trộn và chuyển đổi A/D Trongkhối xử lý băng gốc, tín hiệu được điều chế/giải điều chế, được mã hóa/giải mã.Khối xử lý băng gốc của vô tuyến nhận thức về bản chất cũng tương tự như bộthu phát đang tồn tại

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, khếch đại công suất, và bộ lọc thích ứng Phần cứng RFcho vô tuyến nhận thức có khả năng điều chỉnh tới bất kỳ phần nào của dải phổtần rộng lớn Cảm nhận phổ cũng cho phép việc đo lường trong thời gian thựccác thông tin phổ từ môi trường vô tuyến

Hình 1.5 Kiến trúc vật lý của vô tuyến nhận thức

(a) Bộ thu phát của vô tuyến nhận thức

(b) Sơ đồ khối phần vô tuyến của hệ thống vô tuyến nhận thức

Chức năng của các khối trong RF Front-End như sau:

 Bộ lọc cao tần (RF Filter): có tác dụng chọn lọc được khoảng băng thông

mong muốn bằng cách cho tín hiệu qua bộ lọc thông dải

 Bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA-Low Noise Amplifier): Bộ khuếch đại

nhiễu thấp có tách dụng loại nhiễu tần số ảnh, khuếch đại nhiễu thấp tín hiệu ngõvào của máy thu tới mức cần thiết để đổi tần, tăng độ nhạy máy thu LNAthường có từ một đến ba tầng khuếch đại tuyến tính, có điều hưởng chọn lọc tần

số băng thông tín hiệu mong muốn Có tác dụng khuếch đại tín hiệu mong muốnđồng thời giảm tín hiệu nhiễu

 Bộ trộn tần (MIXER): Tại bộ đổi tần tín hiệu thu được từ máy thu sẽ được

trộn với tần số gốc được phát ra và chuyển tới dải băng gốc hay tần số trung tầm

 Bộ VCO (Voltage Controlled Oscillator): được biết đến như là bộ điều

chỉnh tần số bằng điện áp, có tác dụng như bộ khóa pha giúp tần số ra ổn định

 Bộ lọc lựa chọn tần số (Channel Selection Filter): Được dùng để chọn

kênh mong muốn đồng thời loại bỏ kênh kế cận

 Bộ điều khiển độ lợi tự động (AGC – Automatic Gain Control): Là hệ

thống hồi iếp điều chỉnh độ lợi máy thu dựa vào biên độ tín hiệu thu đồng thời

mở rộng dải động, cho phép tăng hoặc giảm độ khuếch đại khi tín hiệu thu yếuhay mạnh bằng cách thay đổi điện áp phân cực

 Bộ vòng khóa pha (PLL – Phase Locked Loop): Là hệ thống hồi tiếp vòng

kính Tín hiệu hồi tiếp được dùng để khóa tần số và pha của tín hiệu ra theo tần

số và pha của tín hiệu vào

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 hoạtđộng tại các mức công suất, các băng thông và các vị trí khác nhau Kết quả là,đầu cuối RF phải có khả năng phát hiện tín hiệu yếu trong một dải tần động lớn.Tuy nhiên, khả năng này đòi hỏi phải có bộ chuyển đổi ADC tốc độ vài GHz với

dộ 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 miền tần số.Nhiều anten có thể nhận tín hiệu một cách chọn lọc bằng cách sử dụng các côngnghệ điều khiển búp sóng

1.2.2 Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức

Trong mô hình hệ thống vô tuyến nhận thức người dùng chính không cầnquan tâm 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 nhậnthức Điều quan trọng là những người dùng chính kế thừa các thiết bị của mạngsãn có vẫn có thể hoạt động theo cách thông thường ngay cả khi áp dụng cho hệthống mạng vô tuyến nhận thức Một giải pháp để cung cấp tốc độ dữ liệu caohơn ở khoảng cách ngắn là UWB nhưng quyền hạn truyền tải đòi hỏi phải caohơn và UWB trải tín hiệu trên một dải tần số rộng Vì vậy, trong hệ thống vôtuyến nhận thức những người dùng phụ sx tạm dừng hoạt động khi một ngườidùng chính truyền dữ liệu vì vậy công nghệ UWB (siêu băng rộng) không được

sử dụng trong mạng vô tuyến nhận thức

Các nghiên cứu về mô hình hệ thống của vô tuyến nhận thức được trìnhbày trong hình 1.6 Mô hình hệ thống cô tuyến nhận thức bao gồm người sửdụng chính, người sử dụng phụ và trạm trung gian được chọn là nút đóng vai tròphối hợp phổ trong mạng Các kích thước của hệ thống, những thông số và vị trícủa người sử dụng là chỉ minh họa Khi mạng lưới bắt đầu hoạt động, tín hiệuđầu tiên được vào nút và nó vẫn tiếp tục hoạt động cho đến khi mạng ngắt kếtnối Một ví dụ cho các hệ thống vô tuyến nhận thức được giới thiệu trong hình1.7, nơi vị trí của người sử dụng chính và người sử dụng phụ được chọn ngẫunhiên trong khu vực phân 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 khuvực mà nó có thể cho SU phát hiện sự hiện diện của PU thông qua cảm biến

Hình 1.6 Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức

Hình 1.7 Minh họa sự ảnh hưởng của phạm vi truyền dẫn của người sử dụng

Hình 1.8 Sơ đồ khối của các nút trong vô tuyến nhận thức

Các nút hoạt động bằng cách gửi một tín hiệu đến một kênh điều khiểnchung để thông báo cho các nút khác có khả năng tham gia mạng Vai trò của nútkhác với điểm truy cập thông thường bời vì nó có khả năng nhận thức đượcthông tin hiện tại và truyền thông tin liên lạc giữa các nút là giống như việc thunhận thông tin liên lạc trong mạng ngân hàng Các thông tin phổ cảm biến tại vịtrí của các nút sẽ được gửi tới một kênh điều khiển chung, kết hợp trong nút vàsau đó phát sóng đến thiết bị đầu cuối CR trong mạng Về bản chất, giao tiếpgiữa hai thiết bị đầu cuối CR có thể chia thành các bước sau:

- Cảm biến phổ tại 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 kếthợp này với tất cả các thiết bị đầu cuối trong CR và cho phép các nút sãn sàng đểgiao tiếp

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

- Cảm biến phổ định kỳ được thực hiện trong khoản thời gian giây, nếuquá trình truyền dữ liệu bị gián đoạn trong quá trình cảm biến thì trở lại điểm 1

1.2.3 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 đãđược cấp phép cho các mục đích khác nhau nhưng vẫn còn một số băng tần vẫnchưa được cấp phép

Hình 1.9 Mô hình kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức

Các thành phần kiến trúc của mạng vô tuyến nhận thức, như hình 1.9, cóthể phân thành hai nhóm là mạng chính và mạng phụ Các thành phần cơ bảncủa hai nhóm 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 Các thànhphần của mạng chính bao gồm:

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

giấy phép 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 của bất

kỳ 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 chính nàykhông 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 băngmong muốn

- 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 cấpphép

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

trạm gốc thứ câp) là thành phần cơ sở hạn tầng cố định Trạm gốc phụ cung cấpkết nối đơn chặng tới những người dùng phụ mà không cần giấy phép truy nhậpphổ Thông qua kết nối này, người dùng phụ có thể truy nhập đến các mạngkhác

- 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 chia phổ có thể kết nối với từng mạng và giữa các ngườidùng phụ Bộ phân chia phổ có thể kết nối với từng mạng và có thể phục vụ với

tư cách là bộ phận quản lý thông tin phổ, nhằm cho phép các mạng phụ cùng tồntại

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 tần cấp phép và không cấpphép

- Truy cập mạng vô tuyến nhận thức ad học (xG ad học access): người

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

1.2.4 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 ở trên hình 3, 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 5, trong đó các mạng phụ cùng tồn tại với các mạng chính tại cùngmột vị trí và trên cùng một băng phổ

Hình 1.10 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

các chức năng của vô tuyến nhận thức trong băng tần cấp phép lại baogoomfphats hiện sự có mặt của các người dùng chính Dung lượng kênh của các

hố phổ phụ thuộc vào nhiễu xung quanh những người dùng chính Do đó, việctránh nhiễu cho người dùng chính là vấn đề quan trọng nhất trong kiến trúc này.Hơn nữa, nếu người dùng chính xuất hiện trong băng phổ bị những người dùngphụ chiếm, thì người dùng phụ ngay lập tức phải bỏ lại phổ hiện tại và chuyểntới phổ 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 cấpphép để cải thiện hiệu quả sử dụng phổ trong phần phổ này Mạng phụ hoạt độngtrên băng tần không cấp phép được minh họa trên hình 1.6 Tất cả các ngườidùng phụ trong mạng có quyền như nhau khi truy nhập tới các băng phổ Nhiềumạng phụ tồn tại trong một vùng trống 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 phổ và hỗ trợ cao

Hình 1.11 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 cập 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 đung trong mạng phụ Nếu nhiều mạng phụ nằm trong cùng một băngkhông cấp phép thì phải có phương pháp cha sẻ phổ phù hợp giữa các mạng này

1.2.5 Các chuẩn của mạng vô tuyến nhận thức

1.2.5.1 Chuẩn IEEE SCC 41

Từ khi hệ thống quản lý phổ phù hợp sử dụng SDR trong hệ thống CR baogồm nhiều kỹ thuật, nhiều phương pháp chuẩn và những giả thiết liên quan thìtrở nên quan trọng Những phương pháp xử lý chuẩn và các cuộc kiểm tra nàyđược yêu cầu cho sự phát triển và triển khai hệ thống mạng CR Tuy nhiên, đếnbây giờ, hầu hết các nhóm đều riêng rẽ và làm việc độc lập, do đó, kết quả thìkhông có sự kết hợp Để giải quyết vấn đề này, thì việc kết hợp giữa các nhómlại với nhau về cả trong công nghiệp, về kỹ năng và các tổ chức khác thì thật sựcần thiết Và chuẩn IEEE Standards Coordonating Committee (SCC) 41 trong hệthống CR và trong quản lý phổ được xây dựng để bắt đầu chuỗi các chuẩn liênquan gọi là IEEE 1900

IEEE SCC 41 được xây dựng để định địa chỉ cho các điều đã được banhành liên quan tới sự phát triển, triển khai cài đặt và xây dựng một hệ thống CR

và hệ thống quản lý phổ phù hợp IEEE SCC 41 thì bao gồm bốn nhóm làm việcchính và một nhóm nghiên cứu Mỗi nhóm có nhiệm vụ cho mỗi chuẩn cho cáckhía cạnh khác nhau của hệ thống CR Mỗi chuẩn trong IEEE 1900 thì đượchướng tới mỗi nhóm làm việc Sau khi hòan thành xong các tài liệu phác thảo thìcác nhóm làm việc này sẽ gửi các bản thảo này lên cho IEEE để bình chọn, việcbình chọn này được thực hiện bởi IEEE Standards Association (SA) Nếu màkhông được bình chọn thì hệ thống sẽ loại trừ bản thảo này Sau khi quyết định,bản thảo được bình chọn 1 lần nữa Phương pháp này thì chắc chắn rằng cácchuẩn sẽ được dùng trong những công việc khác nhau trong hệ thống CR Hệthống IEEE 1900 bao gồm:

 IEEE 1900.1: Nhiệm vụ chính của tiêu chuẩn này là xác định và giải

thích về những thuật ngữ và những khái niệm của quản lý phổ, SDR, vô tuyếnthích nghi và những kỹ thuật khác Tiêu chuẩn cũng mô tả sự tương tác giữanhững khái niệm Chuẩn IEEE 1900.1 thì được sử dụng như là một kết nối giữacác nhóm làm việc trong IEEE SCC 41, bởi vì tất cả các nhóm đều định nghĩadựa trên tiêu chuẩn này

 IEEE 1900.2: Tiêu chuẩn này liên quan tới các đề nghị trong thực tế của

nhiễu và sự tồn tại đồng thời của phân tích Trong hệ thống CR, nhiều hệ thốngkhông dây và dịch vụ được cho phép cùng tồn tại trong cùng một vị trí ở cùngmột thời điểm Các thông số hoạt động tối ưu của các hệ thống và các dịch vụtrên thì là thông số chủ yếu để quả lý và để tránh nhiễu Theo đó, một khungcông việc cho tính toán, nhiên cứu phân tích nhiễu giữa các thiết bị không dây

và dịch vụ thì được giới thiệu Các nhóm này sẽ phát triển một tiêu chuẩn để giảiquyết sự xung đột đụng độ trong hệ thống CR

 IEEE 1900.3: Tiêu chuẩn này thì liên quan tới các giá trị phù hợp của cấu

trúc phần mềm của hệ thống SDR Nhóm công việc này sẽ phát triển và địnhnghĩa các phương pháp cho việc tìm giá trị phù hợp của các bộ phận của phầnmềm trong hệ thống SDR dựa trên các thiết bị không dây Công việc chính củatiêu chuẩn này là đảm bảo sự tồn tại đồng thời và sự phù hợp trong phần mềm

Sự phù hợp này được yêu cầu phải hợp lệ và được chứng nhận của hệ thống CR

 IEEE 1900.4: Tiêu chuẩn này thì liên quan đến sự cung cấp đồng thời cho

việc tái cấu hình các giao diện không khí không đồng nhất Sự không đồng nhất

sẽ là chìa khóa cho hệ thống không dây mà các thiết bị di động có thể sử dụng

kỹ thuật không dây đa kênh một cách đồng thời

 IEEE 1900.A: Trách nhiệm của tiêu cuẩn này thì liên quan tới sự phù hợp

của việc truy cập phổ linh động dựa vào thiết bị Các nhóm nghiên cứu sẽ nhấnmạnh sự phụ thuộc và giá trị của các thông số của thiết bị khôn dây với truy cậpphổ linh động Bởi vì thiếu một thiết bị CR sẽ phức tạp hơn so với các thiết bị

cũ, nên một giải thuật hợp lý trở thành một thử thách Các phương pháp mới cầnđược phát triển để chác rằng các thiết bị sẽ không gây nhiễu lên kênh truyền của

thiết bị đăng ký Việc nghiên cứu bao gồm cả sự khó khăn trong việc phân tíchnguyên nhân của nhiễu Nhà sản xuất phát hành chúng để chắc chắn rằng cácthiết bị sẽ phù hợp với các luật lệ.

Cũng có những tiêu chuẩn IEEE khác mà cũng liên quan tới các luật lệcủa hệ thống không dây và hệ thống CR như IEEE 802.18, 19, 21, 22 IEEE802.18 là một tiêu chuẩn được dùng cho các nhóm có trách nhiệm về sự thamgia và sự giám sát quá trình tiến triển của các hoạt động của sóng vô tuyến trongnhiều hệ thống khác nhau ví dụ như IEEE 802.11 WLAN, IEEE 802.15 WPAN,IEEE 802.16 WMAN, IEEE 802.20 Mobile WLAN, IEEE 802.22 WRAN.Nhóm tiêu chuẩn IEEE 802.18 này có thể đưa ra các bình luận đến các luật lệcủa bộ điều chỉnh để thông tin tới các nhu cầu của truy nhập phổ IEEE 802.19

là nhóm tiêu chuẩn dùng trong sự tồn tại đồng thời Nhóm này sẽ định đại chỉcho các giả thiết tồn tại đồng thời giauwx các hệ thông không dây dựa trên tiêuchuẩn IEEE 802 (ví dụ như IEEE 802.11 và Bluetooth) Trong trường hợp này,khi một tiêu chuẩn mới cho một mạng không dây chưa đăng kí được giới thiệu,nhóm tiêu chuẩn IEEE 802.19 sẽ xét sự đảm bảo của các tiêu chuẩn đó để chắcchắn rằng tiêu chuẩn mới này sẽ cùng tồn tại với sự tồn tại của kỹ thuật đanghoạt động trong cùng một phổ Chuẩn IEEE 802.21 là một chuẩn mới cung cấpkhả năng quản lý phổ linh động cho cả kỹ thuật đồng bộ và không đồng bộ Nó

là tiêu chuẩn cơ bản cho hệ thống không dây mà các thiết bị di động có thể sửdụng kỹ thuật không dây này IEEE 802.22 là một kỹ thuật không dây mới cungcấp dữ liệu thông tin trên một khu vực rộng lớn Kỹ thuật này sẽ hoạt động trênbăng tần TV Tuy nhiên, để chắc chắn rằng các dịch vụ cũ không bị nhiễu bởi cácthiết bị IEEE 802.22, thì hệ thống truy cập phổ linh động được đề cập tới Mốiquan hệ giữa các thành phần IEEE SCC 41 như hình vẽ:

Hình 1.12 Mối quan hệ giữa các thành phần IEEE SCC 41

1.2.5.2 Chuẩn IEEE 802.22 cho khu vực mạng không dây (Wireless

Regional Area Networks (WRANs))

Có nhiều khoảng băng TV thì còn trống rất nhiều trên nhiều khu vực Nhưbăng TV 6 MHz có thể sử dụng cho truyền dữ liệu Bởi vì các băng TV thì hầuhết trong phổ tần số thấp ( ví dụ 54-862MHz ở Nam Mỹ và 41-910 MHz trênquốc tế) nên sự truyền các thông số thì phù hợp hơn cho sự truyền trong dải dài.Chuẩn IEEE 802.22 được hướng đến kỹ thuật trong khu vực mạng không dây,

mà nó hứa hẹn sẽ cung cấp cho các thiết di động trong khu vực mà bán kính cóthể lên đến 100km Bởi vì chuẩn IEEE 802.22 thì dựa trên hệ thống băng TVnên hệ thống CR phù hợp sẽ được dùng để tránh nhiễu đến các dịch vụ đã đăngký

Hệ thống kiến trúc của IEEE 802.22 dựa trên WRAN thì tương tự nhưmạng truy cập không dây băng rộng (Broadband Wireless Access (BWA)) nhưIEEE 802.16 WIMAX Trong thực tế, một WRAN thì dựa trên kết nối điểm - đađiểm mà trong đó các trạm gốc BS điều khiển tất cả các kết nối.

tự được dùng là chuẩn IEEE 802.11 dựa trên WLANs Hệ thống và mã phù hợp

từ 0.5 bit/symbol/Hz đến 5 bit/symbol/Hz sẽ được cung cấp cho chuẩn này Mộtmạng IEEE 802.22 thì được mong đợi sẽ cung cấp hơn 10 người dùng trên 1mạng tế bào với đường truyền lên và truyền xuống với lưu lượng lần lượt là 1.5Mbps và 384 Kbps

Hình 1.13 Cấu trúc siêu khung trong chuẩn IEEE 802.22

Hình 1.14 Kết cấu một khung trong IEEE 802.22

 Lớp MAC trong 802.22

Hình trên đã chỉ ra cấu trúc khung của lớp MAC trong IEEE 802.22 Tạinơi bắt đầu của khung, thông tin phần đầu của khung superframe control header(SCH) thì được truyền đi bởi BS trên những băng TV nào có thể Phần mở đầuđược sử dụng để bảo vệ các dịch vụ truyền thống và trong khi SCH được sửdụng để bởi thiết bị sử dụng đầu tiên CPE (consumer premise equipment) đểđồng bộ với BS Nó bao gồm tất cả các thông tin về CPE để bắt đầu kết nối Chú

ý rằng, bởi vì theo yêu cầu của FCC, thì 2 băng TV còn lại không được sử dụng

để tránh nhiễu cho dịch vụ TV

Và trong một kết cấu khung trong các khung trên được đưa ra như hìnhtrên Truyền dẫn trong mỗi khung là các khe thời gian và nó dựa vào sóng mangOFDM Trong một khung, có dòng lên và dòng xuống của khung con Mộtkhung phụ dòng xuống bao gồm phần mở đầu để bắt đầu một khung Sau đó,US-MAP được dùng để chứng tỏ cấu trúc của dòng lên xuống của khung phụ.Chú ý rằng cấu trúc khung, siêu khung, khung phụ và khối lõi của IEEE 802.22thì được điều khiển bởi BS

Để bắt đầu một kết nối với BS, thì một CPE quét và xác định các băng TVtrống mà không ảnh hưởng tới các dịch vụ khác Dựa vào các băng trống này,CPE sẽ quét từ nhận tín hiệu SCH và BS Sau khi nhận SCH, CPE có thể bắt đầumột kết nối bằng cách gửi một xác nhận tới BS BS cho phép truyền phần lõi vàcho phép CPE nhận trên khoảng trống của phổ.

 Cảm biến kênh trong chuẩn IEEE 802.22

Trong hệ thống 802.22, cả BS và CPE thực hiện cảm biến kênh theo chu

kỳ Bởi vì cảm biến kênh có thể ở trong khoảng băng hay ngoài khoảng băngnên có 2 giao diện được yêu cầu tại CPE Một anten trực tiếp thì được sử dụng

để kết nối với BS, và một anten đẳng hướng thì được dùng ddeer cảm biến phổ

BS hướng dẫn CPE cảm biến băng TV, và kết quả cảm biến sẽ được gửi trở lạicho BS để xây dựng một bản đồ các phổ trống cho các tế bào mà được dùng đểquản lý phổ Giao thức MAC cần được thiết kế để cung cấp các yêu cầu củaquản lý phổ bao gồm thay đổi kênh truyền, sự hoãn hay khôi phục kênh, sự baogồm hay loại trừ của nhiều kênh từ một kênh truy nhập

Để phát hiện một dịch vụ TV truyền thống, Hệ thống IEEE 802.22 cungcấp máy cảm biến băng tần thô và cảm biến tinh như hình:

Hình 1.15 Cơ chế cảm biến thô và tinh trong hệ thống IEEE 802.22

để cải thiện hệ thống cho phù hợp Cảm biến nhanh (hay gọi là cảm biến thô), ví

dụ như cảm biến năng lượng, thì thực hiện trong thời gian ngắn để giảm sự giánđoạn trong truyền dữ liệu Kết quả của sự cảm biến này được sử dụng để phântích hoạt động của kênh truyền Nếu có một năng lượng truyền dẫn được phát

hiện, thì hệ thống cảm biến tinh sẽ hoạt động Giải thuật của cảm biến tinh này

sẽ tốn thời gian để xác định các tín hiệu từ dịch vụ nguồn Cả 2 phương phápcảm biến thô và tinh này đều đáp ứng được yêu cầu của chuẩn IEEE 802.22 Đặcbiệt, tín hiệu TV số với công suất ngưỡng là -116 dBm cũng được phát hiện vớixác suất phát hiện gần 0.9 (giá trị lớn nhất của xác suất báo sai là 0.1) Hệ thốngdịch vụ thì cần được phát hiện trong vòng không quá 2 giây sau khi dịch vụ nàybắt đầu truyền dữ liệu

II 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 năngquét các dải quang phổ cà xác định các kênh truyền còn trống có sẵn để sửdụng Vô tuyến nhận thức giám sát các băng phổ sẵn có, nắm bắt các thông tincủa chúng và sau đó phát hiện các hố phổ

Vô tuyến nhận thức được thiết kế để có thể hiểu biết nhạy cảm với sự thayđổi của môi trường xung quanh Chức năng cảm biến phổ cho phép vô tuyếnnhận thức thích ứng với môi trường xung quanh bởi việc phát hiện các hố phổ

Cách hiệ 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, trênthực tế rất khó cho một mạng vô tuyến nhận thức để có thể đo trực tiếp cácthông số kênh 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 phátchính dựa trên 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 hợp tác và cảm biến phát hiệndựa trên nhiễu