Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án “Nghiên cứu kỹ thuật vô tuyến nhận thức cho hệ thống lai ghép giữa mạng thông tin vệ tinh và mạng mặt đất” với mục đích nghiên cứu tìm hiểu ứng dụng của vô tuyến nhận thức trong các hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất.
1 MỤC LỤC AGC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Analogtodigital converter Mạch chuyển đổi tương tự ra số Asymmetric Digital Subscriber Đường dây thuê bao số không Line đối xứng Automatic gain control Điều khiển độ lợi tự động AS Adaptive system Hệ thống thích nghi AWGN BER Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Tạp âm Gausse trắng cộng sinh Tỉ lệ lỗi bit BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BSS Broadcast Satellite Services Dịch vụ Vệ tinh Quảng bá BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát sóng di động BWA Broadband wireless access CDMA CDN Code Division Multiple Access Content Delivery Network CR Cognitive Radio Truy nhập không dây băng thông rộng Đa truy nhập phân chia theo mã Mạng lưới phân phối nội dung Vô tuyến nhận thức CSTR Cognitive Satellite Terrestrial Radios Digital audio broadcasting ADC ADSL FEC Frequency Division Multiple Access Frequency Division Multiple Access Forward Error Correction Vô tuyến nhận thức vệ tinh mặt đất Công nghệ phát thanh kỹ thuật số Đa truy nhập phân chia theo tần số Đa truy nhập phân chia theo tần số Hiệu chỉnh lỗi trước FSS Fixed Satellite Services Dịch vụ vệ tinh cố định GEO Geostationary satellite Vệ tinh địa tĩnh DAB FCC FDMA GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp GPS Global Positioning System Hệ thống định vị tồn cầu GSM Global System for Mobile HAP High altitude platforms Hệ thống thơng tin di động tồn cầu Tầng cao độ HSTS Hybrid Satellite Terrestrial System Institute of Electrical and Electronics Engineers Hệ thống lai ghép vệ tinh mặt đất Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử IF Intermediate Frequency Tần số trung tần IMR Intermediate Module Repeater Bộ lọc môđun trung gian IPTV Internet Protocol Television Truyền hình giao thức Internet ISU Incumbent spectral users Người sử dụng phổ tần chính ITK Nhận biết độ nhiễu ITU Interference temperature knowledge International Telegraph Union LAN Local Area Network Tổ chức viễn thơng quốc tế thuộc Liên hiệp quốc Mạng máy tính cục bộ LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp MANET Mobile Adhoc Networks Mạng tùy biến di động MBMS MIH Multimedia Broadcast/Multicast Services Media Independent Handovers Hệ thống dịch vụ Quảng bá/ Multicast đa phương tiện Truyền hình độc lập MSS Mobile Satellite Services Dịch vụ Vệ tinh Di động OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing PeertoPeer Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Mạng ngang hàng IEEE P2P PAN Personal area networks Mạng các nhân PLL Phaselocked loop Vịng khóa pha PLMN Public Land Mobile Network PSTN PU Public Switched Telephone Network Primary User Mạng di động mặt đất công cộng Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng Người dùng chính QID Queue IDentifiers Trình xác minh hàng chờ QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RAN Regional area network Mạng khu vực RCS Return channel via satellite Kênh nhận thông qua vệ tinh REM Radio Environment Maps Bản đồ môi trường vô tuyến RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RNC Radio Network Controller SD Satellite Dependent Bộ điều khiển thông tin di động thế hệ 3 Vệ tinh phụ thuộc SDMB SDR Satellite digital multimedia broadcasting Software Defined Radio SI SatelliteIndependent Vệ tinh kỹ thuật số quảng bá đa phương tiện Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm Vệ tinh độc lập SISAP STC Satellite Independent Service Access Point Satellite Radio Access Network Spacetime Coding Điểm Truy cập Dịch vụ Vệ tinh độc lập Mạng Truy cập Vơ tuyến vệ tinh Mã hóa khơngthời gian SU Secondary User Người dùng thứ cấp SUMTS Satellite component of the Universal Mobile Thành phần Vệ tinh của Hệ thống Viễn thông Di động SRAN Telecommunication System Tồn cầu Time Division Multiple Access Television Receiver Only Đa truy nhập phân chia theo thời gian Truyền hình chỉ thu UWB Universal Mobile Telecommunication System UltraWideband Hệ thống viễn thơng di động tồn cầu Băng siêu rộng VCO Vol Cotrol OSC VOD Video On Demand Bộ dao động điều khiển bằng điện áp Video theo yêu cầu VSAT Very Small Aperture Terminal WRAN Wireless Regional Areas Network Wireless World Research Forum TDMA TVRO UMTS WWRF Trạm thơng tin vệ tinh mặt đất cỡ nhỏ Mạng khơng dây khu vực Diễn đàn Nghiên cứu Thế giới Khơng dây DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Tóm tắc ưu điểm và nhược điểm của các hệ thống đa truy nhập khác nhau Bảng 2.1 Các cấu trúc mạng cơ bản trong thơng tin Bảng 3.1: So sánh xu hướng Cơng nghệ lai ghép Vệ tinh mặt đất qua từng thời điểm LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, với sự bùng nổ của cơng nghệ, điện thoại thơng minh, mạng xã hội, nhu cầu chia sẻ dữ liệu, hình ảnh, video… gia tăng nhanh chóng gây ra áp lực rất lớn về lưu lượng trên các hệ thống truyền tải. Cùng với việc dải tần ngày càng bị thu hẹp do nhiều dịch vụ mới được cấp phép dẫn đến u cầu phải tận dụng tối đa tài ngun phổ tần số. Hiện tại, các hệ thống thơng tin vơ tuyến được áp dụng chính sách cấp phát tần số cố định. Theo đó, các ứng dụng khác nhau được cấp phép với những dải tần số (băng thơng) đã được hoạch định sẵn bởi cơ quan quy hoạch phổ tần Quốc gia. Việc cấp phép dải tần cố định này đảm bảo người dùng dịch vụ dải tần này khơng gây can nhiễu đến những người dùng ở dải tần khác. Tuy có nhiều ưu điểm nhưng nhược điểm lớn nhất của phương pháp cấp phát tần số cố định là khơng tận dụng được tối đa tài ngun băng thơng. Theo Ủy ban truyền thơng liên bang Hoa Kì – FCC hiệu suất sử dụng dải tần số đã được cấp phép chỉ khoảng 1585% trên phổ tần khả dụng. Điều này đặt ra u cầu cấp thiết đó là phát triển một cơng nghệ vơ tuyến mới có khả năng nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần, tránh lãng phí tài ngun tần số. Cơng nghệ Cognitive Radio (vơ tuyến nhận thức) được phát triển để đáp ứng nhu cầu trên. Hệ thống vơ tuyến nhận thức bằng những kỹ thuật riêng của mình sẽ khai thác các dải thơng có thời điểm bị bỏ tr ống để cung cấp băng thơng cho các dịch vụ vơ tuyến thơng qua kiến trúc mạng tiên tiến, mềm dẻo và khả năng truy cập phổ tần linh hoạt. Cùng với hệ thống lại ghép vệ tinh mặt đất, việc ngày càng sử dụng các thiết bị thơng minh và tăng tải trên mạng mặt đất để cung cấp các dịch vụ dữ liệu băng thơng cao cùng với các dịch vụ thoại, các hệ thống lai ghép vệ tinh mặt đất có thể được sử dụng hiệu quả và nâng cao hiệu suất sử dụng mạng thơng tin vệ tinh để phục vụ cho nhu cầu càng ngày càng tăng. Ngồi ra, các vấn đề trong việc phủ sóng ở mọi nơi, thậm chí ở các vùng sâu vùng xa, với sự hồn chỉnh các dịch vụ sẵn có ở khu vực thành thị, có thể có xu hướng sử dụng các hệ thống lai ghép. Vì vậy, vơ tuyến nhận thức hoạt động trên nền hệ thống vơ tuyến định nghĩa bằng phần mềm, đặc biệt là khi tích hợp với hệ thống lai ghép vệ tinh mặt đất, hứa hẹn là một trong những cơng nghệ đầy triển vọng, phù hợp với tiến trình phát triển của các hệ thống thơng tin vơ tuyến Đồ án “Nghiên cứu kỹ thuật vơ tuyến nhận thức cho hệ thống lai ghép giữa mạng thơng tin vệ tinh và mạng mặt đất” với mục đích nghiên cứu tìm hiểu ứng dụng của vơ tuyến nhận thức trong các hệ thống lai ghép vệ tinh mặt đất. Từ đó làm tiền đề phục vụ cho cơng tác sau này. Đồ án đước chia làm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về thơng tin vệ tinh và kỹ thuật vơ tuyến nhận thức Chương 2: Hệ thống mạng mặt đất trong thơng tin vệ tinh và tích hợp hệ thống mặt đất – vệ tinh trong truyền thơng đa phương tiện Chương 3: Vơ tuyến nhận thức cho hệ thống lai ghép giữa mạng thơng tin vệ tinh và mạng mặt đất 10 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THƠNG TIN VỆ TINH VÀ KỸ THUẬT VƠ TUYẾN NHẬN THỨC 1.1 Tổng quan về hệ thống thơng tin vệ tinh Thơng tin vệ tinh mới chỉ xuất hiện trong hơn bốn thập kỷ qua nhưng đã phát triển rất nhanh chóng trên thế giới cũng như trong nước ta, mở ra một thời kỳ phát triển mới cho sự phát triển trong mội lĩnh vực khoa học đời sống nói chung và đặc biệt trong ngành viễn thơng nói riêng. Sau đây, chúng ta cùng nhau đi tìm hiểu về lịch sử phát triển, đặc diểm, cũng như cấu trúc tổng thể và ngun lý hoạt động của thơng tin vệ tinh 1.1.1 Sự ra đời của các hệ thống thơng tin vệ tinh Thơng tin vơ tuyến qua vệ tinh là thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực truyền thơng và mục tiêu của nó là gia tăng về mặt cự ly và dung lượng với chi phí thấp, kết hợp sử dụng hai kĩ thuật tên lửa và vi ba đã mở ra kỷ ngun thơng tin vệ tinh. Dịch vụ được cung cấp theo cách này bổ sung một cách hữu ich cho các dich vụ mà trước đó độc nhất chỉ do các mạng dưới đất cung cấp, sử dụng vơ tuyến và cáp Kỉ ngun vũ trụ được bắt đầu vào năm 1957 với việc phóng vệ tinh nhân tao đầu tiên (vệ tinh Sputnik của Liên Xơ cũ). Những năm tiếp theo các vệ tinh khác cũng lần lượt được phóng như SCORE phát quảng bá (năm 1958), vệ tinh phản xạ ECHO(1960), vệ tinh chuyển tiếp băng rộng TELSTAR và RELAY (1962) và vệ tinh địa tĩnh đầu tiên là SYNCOM (1963) Trong năm 1965 vệ tinh địa tỉnh thương mại đầu tiên INTELSAT1 đánh đấu sự mở đầu cho hàng loạt các vệ tinh INTELSAT. Cùng năm đó, Liên Xơ cũ cũng đã phóng vệ tinh truyền thơng đầu tiên trong loạt vệ tinh truyền thơng MOLNYA 103 Hình 3.13: UWB PAN dựa trên HSTS với các đài vơ tuyến nhận thức vệ tinh mặt đất siêu băng rộng: a) đối với các ứng dụng tốc độ dữ liệu thấp (dịch vụ khẩn cấp) b) cho các ứng dụng tốc độ dữ liệu cao Hệ thống lai ghép giữa vệ tinh và IEEE802.22 cho mạng khơng dây khu vực IEEE802.22 WRAN xác định truy cập phổ tần động cho truyền tin tầm xa sử dụng băng tần truyền hình từ 54MHz đến 862MHz. Các khối vơ tuyến IEEE802.22 sẽ tận dụng quang phổ ưu tiên cao hơn cho những người dùng chính như phát sóng truyền hình. Vùng phủ sóng thơng thường của WRAN có thể dao động từ 1732km so với WMAN / WLAN với phạm vi ngắn hơn. Ở đây ta xem xét một hệ thống lai ghép vệ tinh WRAN mặt đất như mơ tả trong Hình 3.12. IEEE 802.22 WRAN sử dụng một cấu trúc cell với một trạm gốc (BS) và trong mơ hình này, ta cũng sẽ kết hợp đơn/đa vệ tinh như trên hình. Các đường phát xuống từ vệ tinh bao gồm trạm gốc cũng như CSTR và đường lên vệ tinh chỉ được thực hiện bởi trạm gốc. CSTR liên lạc với vệ tinh thơng qua trạm gốc 104 Lai ghép vệ tinh – hệ thống siêu băng rộng cho mạng cá nhân: Các hệ thống siêu băng rộng trong băng tần 3,1 GHz 10,6 GHz là những ứng cử viên lý tưởng cho việc giới thiệu các giải pháp nhận thức, chỉ định những u cầu tiềm ẩn đối với các hệ thống này để cùng tồn tại với các hệ thống khơng dây khác. Di động siêu băng rộng hiện nay được đề xuất như là một giải pháp tiềm năng trong hai kịch bản ứng dụng khác nhau: tốc độ cao, khoảng cách truyền tin ngắn và tốc độ thấp, khoảng cách truyền tin trung bình, kết hợp với phạm vi và vị trí. Kịch bản ứng dụng trước đó dẫn đến việc xác định tiêu chuẩn cơng nghiệp WiMedia UWB, đặc trưng bởi một tầng vật lý OFDM có thể đảm bảo tốc độ truyền tải theo u cầu là 500 Mb/s mỗi 10 mét [36]. Giải pháp tốc độ thấp được khảo sát trong nhóm đặc trách IEEE 802.15.4a. Trong nhóm này, tầng vật lý Xung vơ tuyến siêu băng rộng (IR UWB) được đề xuất, có khả năng truyền tin lên đến 25 Mb/s cũng như các thơng tin chính xác về phạm vi cần thiết để định vị chính xác [37], [40]. Cả hai ứng dụng siêu băng rộng tốc độ cao và thấp đều có những thách thức khó khăn về sự cùng tồn tại với các hệ thống kế thừa và hệ thống chính; kết quả là cả hai sẽ được tính đến trong nghiên cứu này. Hình 3.13a) cho thấy một ví dụ về hệ thống lai ghép vệ tinhđất liền điển hình tốc độ thấp, bao gồm một mạng lưới dịch vụ khẩn cấp với các thiết bị siêu băng rộng để trao đổi dữ liệu thực tác vụ theo trình tự, để có thể kết hợp liên lạc trong/ngồi và định vị. Hình 3.13b) cho thấy một ví dụ điển hình về hệ thống lai ghép vệ tinhmặt đất tốc độ cao, nơi các trạm thơng tin được trang bị băng thơng siêu rộng được triển khai ngồi trời gửi thơng tin tới các thiết bị di động như máy tính xách tay và PDA 3.2.3 Nhận thức trong hệ thống vệ tinh và mặt đất Nhìn chung, hệ thống vệ tinh và mặt đất có thể tận dụng được thơng tin thời gian thực để tối đa hóa sử dụng nguồn lực vơ tuyến và tăng hiệu suất đường truyền. Phần lớn những chức năng nhận thức có thể nghĩ tới đã được 105 đặt sẵn trong những hệ thống này theo cách này hoặc cách khác mà chúng ta tổng kết như sau: Nhận thức trong thơng tin vệ tinh: Tin tức trong thời gian thực đã đang được sử dụng trong rất nhiều hệ thống thơng tin vệ tinh với mục đích điều hành và quản lí, cung cấp QoS được u cầu. Trong số đó có nhận biết quỹ đạo vệ tinh: ví dụ như LEO, MEO, GEO, e líp hoặc cực tuyến, vv, nhận biết đường truyền vệ tinh như: tình trạng sai lệch tín hiệu do mưa để có mã hóa thích ứng và điều biến (ACM) tại vị trí nhận; nhận biết hiệu ứng doppler: vd như sự điều bộ tần số (frequency synchronization), và cũng như vệ tinh hỗ trợ theo dõi hiệu ứng doppler; nhận biết chịm vệ tinh: vdụ như cơng nghệ chuyển vùng, vv; và nhân biết dịch vụ vệ tinh: phát thanh truyền hình vệ tinh, băng thơng, dịch vụ thoại, vv Nhận thức trong Thơng tin khơng dây mặt đất: Hệ thống mặt đất cũng có một số thơng tin đã được tích hợp trong các khối thu phát, vài trong số đó là nhận biết kênh liên lạc: ví dụ như bộ chọn lọc kênh, thơng tin trạng thái kênh (ví dụ như thích ứng đường truyền, vv). Tuy nhiên, hệ thống khơng dây trong tương lai dựa trên cơng nghệ vơ tuyến nhận thức sẽ chứa nhiều thơng tin tích hợp hơn, vdụ như nhận thức vơ tuyến: tần số vơ tuyến sẵn có trong mơi trường; nhận thức định vị vơ tuyến: phạm vi phủ sóng trong mơi trường, nhận biết tần số thời gian: sự sử dụng tài ngun vơ tuyến điện trong thời gian thật liên tục, và nhận biết độ nhiễu (ITK): tồn bộ nhiễu vơ tuyến điện trong mơi trường Nhận thức trong hệ thống lai ghép vệ tinh mặt đất Những ứng dụng đã được nhắc đến phần trước (RK, RPK,TFK và ITK) cấu thành nên phần cốt lõi của CR giúp nó có khả năng sử dụng tài ngun vơ tuyến một cách hiệu quả hơn. Đơi với hệ thống lai ghép vệ tinh mặt đất, những ứng dụng này này chỉ có thể được sử dụng cho trạm phát mặt 106 đất và đường lên vệ tinh. Cịn đường xuống vệ tinh khơng thể sử dụng những tính năng như vậy do những hạn chế trong việc kiểm sốt sự phát tín hiệu từ vệ tinh. Một trong những lí do chính là vệ tinh phủ sóng một khu vực lớn, khiến cho việc chia phổ động khó thực hiện. Cho dù sử dụng phương thức phủ sóng bao quát bởi chùm tia tập trung cho đường truyền xuống vệ tinh (phủ sóng vài trăm km2), nó vẫn rất khó để tích hợp tính năng nhận thức vơ tuyến do nguy cơ gây nhiễu hệ thống mặt đất trong một khu vực địa lí rộng Dù vậy, khái niệm vơ tuyến nhận thức ko bị loại bỏ hồn tồn khỏi đường xuống vệ tinh có thể sử dụng cho phạm vi địa lí rộng lớn hơn khu vực đã được phủ sóng bởi hệ thống mặt đất. Tuy nhiên, thứ chúng ta nói đến ở đây khơng cân nhắc đến phương pháp nhận thức dành cho đường phát xuống vệ tinh. Đường phát lên vệ tinh gây ít nhiễu sóng hơn cho hệ thống mặt đất khi xét đến việc sử dụng đường phát lên định hướng, cùng lúc đó đường truyền lên với góc nâng thấp có xu hướng làm nhiễu hơn so với góc nâng cao Đường truyền lên chia sẻ tài ngun vơ tuyến với hệ thống mặt đất nếu bộ thu tại vệ tinh có chức năng đó. Mặt khác, đường truyền xuống sẽ vận hành như một ISU chuẩn mà ko cần bất kì tính năng truy cập phổ động nào. Phần tiếp theo chúng ta nói về xây dựng cấu trúc vơ tuyến nhận thức vệ tinh mặt đất tích hợp với những tính năng mới sử dụng hệ thống mạng khơng dây cho hệ thống lại ghép vệ tinh mặt đất 107 Hình 3.14: Chu kỳ nhận thức [31] 3.2.4 Vơ tuyến nhận thức vệ tinh mặt đất Cấu trúc định hướng đầu cuối vệ tinh mặt đất trên đất liền và các khối chức năng liên quan được trình bày trong chương này. Hệ thống vơ tuyến nhận thức vệ tinh mặt đất bao gồm cả vệ tinh và vơ tuyến mặt đất liên kết với nó. Thơng tin mặt đất và đường lên vệ tinh (tại trạm gốc) kết hợp các chức năng vơ tuyến nhận thức cho việc chia phổ động trên đất liền Lưu ý rằng, như đã đề cập trước đây, liên kết ngược của CSTR với vệ tinh được điều khiển thơng qua BS, nơi CSTR phát đáp chỉ qua BS. Tuy nhiên đường xuống từ vệ tinh được tiếp nhận bởi tất cả các thiết bị đầu cuối mặt đất bao gồm cả các trạm gốc Chu kỳ nhận thức Chúng ta xem xét một cơ cấu nhận thức (tương tự như não của con người) để kích hoạt nhận thức trong thiết bị vơ tuyến điện. Một cơ cấu nhận thức điển hình theo một quy trình tuần hồn, để liên tục theo dõi và tìm hiểu mơi trường để áp dụng phản ứng của nó cho phù hợp. Cách thức đó được gọi là chu kỳ nhận thức [31] và được mơ tả trong Hình 3.14 sử dụng trinh sát 108 quanh thế giới bên ngồi (khơng dây), vơ tuyến nhận thức “tìm hiểu’’ mơi trường vơ tuyến điện rồi thực hiện "quy hoạch" và " đưa ra quyết định” dựa trên các ưu tiên trước khi ‘’hành động’’ (phát tín hiệu) theo u cầu cụ thể Trong các phần tiếp theo, chúng ta áp dụng chu kỳ nhận thức này trong cấu trúc vơ tuyến nhận thức vệ tinh mặt đất tham chiếu các chức năng tương ứng thành các khối chức năng cụ thể để quan sát và tìm hiểu mơi trường vơ tuyến trong vùng lân cận, để tối ưu hóa việc sử dụng các tài ngun vơ tuyến Cấu trúc Vơ tuyến nhận thức vệ tinh mặt đất cho hệ thống lai ghép vệ tinh mặt đất Cấu trúc chung của vơ tuyến nhận thức vệ tinh mặt đất được mơ tả trong Hình 3.15 [32]. Bộ phát và bộ thu của cấu trúc vơ tuyến bao gồm cả các phần tử vệ tinh và mặt đất theo u cầu. Trong cấu trúc này mơ tả các chức năng bổ sung cần thiết cho hệ thống vơ tuyến để có được thơng tin cần thiết Trong phần dưới đây chúng ta sẽ giải thích chi tiết các chức năng chính của CSTR Hình 3.15: Mơ hình chung của Vơ tuyến nhận thức cho hệ thống lai ghép 109 vệ tinh mặt đất Mơi trường người dùng đa dạng Hệ thống lai ghép vệ tinh mặt đất trên đất liền có một mơi trường người dùng đa dạng và tất cả người dùng trên mặt đất được xem như thực hiện truy cập phổ động. Các chiến lược tinh vi sẽ cần thiết cho việc chia sẻ phổ tần trong mơi trường như chúng ta sẽ giải thích trong các phần tiếp theo. Mặc dù chia sẻ được tăng lên khi số lượng người dùng K tăng, dẫn đến việc giảm hiệu suất thơng qua mỗi thiết bị đầu cuối, mạng vơ tuyến nhận thức cũng có thể hưởng lợi từ nó như chúng ta thấy từ các phần sau Mơđun cảm biến phổ đối với việc dị độ chiếm giữ tần số khơng gianthời gian ISU Cảm biến phổ và dị tìm ISU trong mạng vơ tuyến nhận thức được coi là một chức năng rất quan trọng [42]. Các nút vơ tuyến nhận thức vệ tinh mặt đất cần phải dị bất kỳ sự hiện diện của ISU trong mơi trường vơ tuyến để tránh nhiễu. Có rất nhiều cách để thực hiện việc dị ISU bằng vơ tuyến nhận thức, từ phương pháp dị mù đến khơng mù, và có thể đề cập đến [42] – [44] về điều này. Ở đây chúng ta trình bày phương pháp dị ISU mù đơn giản nhất, và được biết đến theo cách "dị năng lượng dựa trên năng lượng" [47], các phương pháp mạnh khác cũng tồn tại với độ phức tạp cao hơn [43]. Trong phương pháp dị dựa trên năng lượng, vơ tuyến nhận thức vệ tinh mặt đất tìm kiếm bất kỳ năng lượng tín hiệu nào từ các kích thích vơ tuyến đã nhận từ mơi trường và đưa ra quyết định xem ISU có hiện diện hay khơng. Hạn chế chính của phương pháp này phụ thuộc vào ngưỡng được sử dụng để dị, các tín hiệu có năng lượng thấp có thể khơng dị được, hoặc tiếng ồn thu nhận có thể nhầm lẫn thành ISU (báo động giả). Khi khơng dị được các ISU với mức cơng suất nhận được thấp, do ISU xa hoặc các mơi trường phađinh chọn lọc tần số, dẫn đến 'vấn đề ẩn thiết bị'. Những vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn như vậy có thể dẫn đến xác suất nhiễu của ISU bởi những người sử 110 dụng phổ tần số (CSTR). Tín hiệu cảm biến tại thời điểm t nút i, với i ∈ {1, 2 K} có thể được biểu diễn theo giả thiết nhị phân H0 khi ISU xuất hiện, và H1 khi ISU xuất hiện như sau: Khi s(i;t) tín hiệu nhận được từ ISU, h(i;t) là kênh pha đinh, cịn v(i;t) là tạp âm trắng chuẩn cộng tính Gauss (AWGN) với kì vọng 0 và phương sai . Thống kê thử nghiệm để tìm θ(i; m) tại nút i được đưa ra bởi: Trong đó, là liên hợp phức của r (i; t). Việc thực hiện kỹ thuật dị dựa trên năng lượng để phát hiện ISU phụ thuộc vào băng thơng theo thời gian. Quyết định được thực hiện tại nút CSTR thứ i, cho dù ISU có mặt hay khơng, được đưa ra bởi: khi µI ngưỡng quyết định được sử dụng tại i. Xem xét đến mơi trường người sử dụng đa dạng, mạng vơ tuyến nhận thức có thể sử dụng tất cả các quyết định của vơ tuyến nhận thức vệ tinh mặt đất, để cùng nhau quyết định liệu một ISU có xuất hiện hay khơng. Các trạm gốc kết hợp dữ liệu để thực hiện các quyết định tích hợp về sự hiện diện của một ISU. Đối với sự tích hợp, cần nhấn mạnh rằng tín hiệu từ vơ tuyến nhận thức tới trạm gốc nói riêng Hệ thống hỗ trợ khu vực: Dành cho khả năng dị chiếm dụng ISU của tần số khơng gian thời gian Sự sẵn có của thơng tin vị trí là một khía cạnh quan trọng trong việc triển khai các hệ thống nhận thức, nhờ khả năng thu thập và trao đổi thơng tin liên quan đến vị trí của cả người dùng chính và người dùng thứ cấp nhận thức: Bản đồ mơi trường vơ tuyến (REM) là một ví dụ về giải pháp tiềm năng được kích hoạt bởi sự hiện diện của thơng tin vị trí [45]. Bất cứ khi nào kích hoạt, GPS là cách đơn giản nhất để có được thơng tin vị trí; các hạn chế 111 phần cứng hoặc các điều kiện lan truyền khơng thuận lợi (ví dụ như trong các kịch bản ở trong nhà hoặc trong đơ thị dày đặc) có thể ngăn cản việc sử dụng GPS trong một vài hoặc tất cả các mạng đầu cuối. Trong trường hợp này tích hợp giữa các thiết bị đầu cuối là cần thiết để có được thơng tin vị trí Các giải pháp đề xuất trong tài liệu thường dựa vào sự kết hợp các thuật tốn định vị phân tán để thu thập các vị trí tương đối của các nút trong mạng, và thơng tin vị trí tuyệt đối được cung cấp bởi một tập con các thiết bị đầu cuối ở vị trí đã biết (các nút neo) Thuật tốn định vị phân tán dựa vào khả năng đo khoảng cách chung của các thiết bị đầu cuối và u cầu các thiết bị đầu cuối trao đổi thơng tin khoảng cách đó để xây dựng một bản đồ mạng bằng cách giải quyết vấn đề tam giác. Hiệu suất của các thuật tốn như vậy là rất cao tùy thuộc vào mức độ chính xác trong việc đo khoảng cách được bảo đảm bởi các thiết bị đầu cuối; trong bối cảnh này việc áp dụng một cơng nghệ có khả năng cho phép đo khoảng cách chính xác cao, có thể cải thiện đáng kể tính chính xác của thơng tin vị trí và do đó hiệu quả của vị trí dựa trên cơng nghệ hiện nay như cách tiếp cận REM đã đề cập ở trên Truy nhập đa dạng và nhiệt độ nhiễu Việc truy cập và sử dụng tài ngun vơ tuyến hạn chế của nhiều người dùng trong mạng lưới vơ tuyến nhận thức được thực hiện thơng qua hợp tác hoặc cạnh tranh. Trong chiến lược hợp tác, vấn đề truy cập đa dạng có một giải pháp trực tiếp mà một tập hợp các giao thức được xác định để cho phép cân bằng và chia sẻ các nguồn vơ tuyến bằng tất cả các nút CSTR. Trong chiến lược cạnh tranh, tất cả các CSTR cạnh tranh cho các nguồn tài ngun vơ tuyến điện địi hỏi phải có một cơ chế tinh vi. Chúng ta sẽ xây dựng một chút về chiến lược cạnh tranh như sau. Sự cạnh tranh về vấn đề tài ngun được xem như một vấn đề lý thuyết trị chơi, với một trị chơi ngẫu nhiên năm bộ được xác định bởi , trong đó N là tập hợp những người chơi i = 1, 2 K; S là 112 tập các trạng thái khả thi,là tập hợp hành động có sẵn cho tất cả người chơi, P là hàm xác suất chuyển dịch liên quan đến các hành động chung, và là một chức năngliên quan đến hồn trả cho người chơi. Sau đó đưa ra tập hợp một hành động hữu hạn (cho CSTR để hành động), một hồ sơ hoạt động được đạt tới phản ứng tốt nhất cho tất cả các hoạt động của người chơi khác dẫn đến sự cân bằng Nash [48]. Các CSTR kiểm sốt truyền tải của nó theo các chiến lược hành động trên Thật khơng may, cân bằng Nash khơng phải lúc nào cũng đạt được, tùy thuộc vào sự biến đổi thời gian, u cầu về băng thơng, bản đồ nhiễu, v.v Trong những trường hợp như vậy, một giải pháp khả thi là đưa một trung gian có quyền cung cấp và lấy các tài nguyên quang phổ. Việc truyền nhiều lần bởi CSTR sẽ dẫn đến mức độ tự gây nhiễu cao trong mạng. Do đó, một thuật ngữ mới được xác định bởi Ủy ban viễn thơng Liên bang Mỹ (FCC), được gọi là Nhiệt độ nhiễu (tương tự như nhiệt độ tiếng ồn của máy thu) được sử dụng như là một biện pháp để kiểm sốt nhiễu Mật độ phổ cực đại cho phép trong một dải tần số nhất định được cho bởi giới hạn nhiệt độ nhiễu bằng độ Kelvin (được xác định bởi các định lý) nhân với hằng số Boltzman k = 1.3807 × 1023 3.2.5 Tái sử dụng phổ trong miền khơng gian 3D với CSTR 113 Hình 3.16 Mơ hình cảm biến phổ 3D dựa theo trạm mặt đất Sau khi trình bày cấu trúc và mơ tả của CSTR, bây giờ chúng ta hãy xem cách CSTR cho phép tái sử dụng tần số trong miền khơng gian 3D. Kích thước khơng gian thứ 3 được xem xét ở góc độ thấp. Hình 3.16 minh hoạ khái niệm sử dụng lại phổ 3D bằng thiết bị đầu cuối vệ tinh mặt đất đóng vai trị là một CSTR tạo điều kiện chia sẻ tần số (với tư cách là một người sử dụng thứ cấp) với các thiết bị vơ tuyến mặt đất khác xem xét ứng dụng vệ tinh WRAN HSTS. Trong hình, thiết bị đầu cuối mặt đất (TT) (ví dụ máy phát kỹ thuật số mặt đất) có cùng góc phương vị như vệ tinh đối với trạm mặt đất (GS) và hơn nữa, θ: là góc độ vệ tinh, α: là góc của thiết bị đầu cuối mặt đất TT và φ: là góc giữa trục chính ăng ten và hướng ảnh hưởng (tức là TT), trong đó: φ = θ – α (3.4) Lưu ý rằng chúng ta xem xét trường hợp α> 0 có thể khơng đúng trong mọi tình huống. Để có cơ hội truy cập phổ trong miền khơng gian thứ 3, CSTR thực hiện cảm biến phổ để dị bất kỳ ISU nào trong mơi trường xung 114 quanh. Vì trạm gốc thường triển khai ăng ten parabol khuếch đại theo hướng cao, việc do bất kỳ ISU nào trên mặt đất sẽ trở thành thách thức với khuếch đại anten thấp hơn (giá trị cao hơn của φ). Ở đây, chúng ta xem xét kịch bản vậy để dị ISU dựa trên việc ITUR đề nghị điều kiện khuếch đại của ăng ten cho trạm gốc vệ tinh với ăng ten parabol [49], cho bởi , với , và với, trong đó G0 = 32dBi. Trong phần dưới đây, chúng ta xem một số kết quả mơ phỏng để dị ISU trên mặt đất nhờ trạm mặt đất (CSTR) để truy cập cơ hội phổ (OSA) Máy phát tách sóng mặt đất để tái sử dụng phổ 3D Hình 3.17. Các đặc tuyến bổ sung ROC cho việc sử dụng lại tần số khơng gian 3D, và dị ISU trên mặt đất dựa trên độ cao ISU Sử dụng cảm biến phổ dựa trên năng lượng được mơ tả trong Phần IV D, chúng ta trình bày một số kết quả mơ phỏng để dị TT bởi trạm mặt đất Đối với kịch bản được xem xét trong Phần V, Hình 3.17 mơ tả các đặc tuyến hoạt động của máy thu bổ sung (CROC) để dị TT (như trong hình 3.17) cho các giá trị khác nhau của α. Đối với mơ phỏng, chúng ta xem xét một cơng suất tínhiệu của PA = 0dBm ở đầu phía trước ăng ten của trạm mặt đất và 115 cơng suất nhiễu thu được của máy thu Pn = 6dBm, với một cặp máy phát trạm mặt đất. Từ hình ảnh chúng ta quan sát thấy, do mơ hình bức xạ hướng (khuếch đại) của ăngten parabol, hiệu suất tách sóng để dị TT trở nên kém đi khi α giảm. Hình 3.18 Các đặc tuyến ROC bổ sung cho việc sử dụng lại tần số khơng gian 3D, trong việc dị ISU trên mặt đất dựa trên độ cao vệ tinh Hình 3.18 mơ tả CROC với cùng một kịch bản với các giá trị khác nhau của θ, như chúng ta thấy trên hình, hiệu suất tách sóng trở nên tồi tệ hơn khi tăng θ. Do đó, xem xét kích thước khơng gian thứ ba, việc dị phổ chiếm dụng trên mặt đất trở nên khó khăn hơn tùy thuộc vào các mẫu ăng ten định hướng. Mặt khác, cũng cần lưu ý rằng ăngten định hướng như vậy sẽ ảnh hưởng ít hơn đến TT khi θ tăng hoặc α giảm 3.3 Kết luận chương 3 Trong chương này trình bày khái niệm Vơ tuyến nhận thức vệ tinh mặt đất cho các hệ thống lai ghép vệ tinh mặt đất, thứ hai là khảo sát tác 116 động của vệ tinh trong hệ thống thơng tin tồn cầu trong tương lai Các cơng nghệ chủ chốt cho phép thiết kế các thiết bị đầu cuối trên mặt đất và các chức năng tương ứng của chúng. Ý tưởng đề xuất có thể tối đa hóa việc sử dụng phổ trong các miền thời gian khơng gian 3D, dựa trên đường lên vệ tinh và các bộ phát mặt đất. Hơn nữa, chúng ta xác định một số thách thức lớn nhưng khơng giới hạn, liên quan đến cơng nghệ vơ tuyến nhận thức cần phải được giải quyết trước khi triển khai các hệ thống như vậy: Sự phức tạp liên quan đến mạng vơ tuyến nói chung sẽ nhiều hơn, do đó khó kiểm sốt và quản lý mạng lưới. Sự thiếu nhất qn hiện nay về nhu cầu của các ngơn ngữ chính sách cho một mạng lưới, như các chính sách kinh doanh và điều tiết. Các vấn đề bảo mật và xác thực cần được giải quyết cẩn thận do các mạng lưới đa dạng hoạt động trong các lĩnh vực được xem xét Một số vai trị của thành phần vệ tinh trong mạng lai ghép vệ tinh mặt đất, cũng như các tham số để tối ưu hóa và hiệu quả làm việc của các mạng lai ghép cũng đã được đưa ra thảo luận trong chương này. Yếu tố thúc đẩy là xác định những tiềm năng và thể hiện những lợi thế trong việc áp dụng các giải pháp về mạng lai ghép bao gồm các thành phần vệ tinh trong các mạng hiện tại để các lợi thế của thơng tin vệ tinh có thể được tận dụng một cách hiệu quả và có thể thiết lập được các giao thức phổ biến và thơng suốt 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Trung Tấn (2009) “Bài giảng thơng tin vệ tinh [2] Phùng Văn vận (2005) “Nghiên cứu cấu trúc hệ thống viễn thơng mặt đất để sử dụng hiệu quả vệ tinh VINASAT”, Bộ Bưu chính Viễn thơng, Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện [3] “Tổng quan Dự án Thơng tin vệ tinh” (2008), NXB Bộ Tư lệnh thơng tin liên lạc Tiếng Anh [4] Barry Evans, “Integration Of Satellite And Terrestrial Systems In Future Multimedia Communications”, University of Surrey, IEEE Wireless Communications October 2005 [5] Sithamparanathan Kandeepan, “Cognitive Satellite Terrestrial Radios”, Cognitive Inf Networks (CoIN) Group, Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 2010), 2010 IEEE [6] http://www.tec.gov.in/ [7] http://www.rfwirelessworld.com/ ... Chương 3: Vơ? ?tuyến? ?nhận? ?thức? ?cho? ?hệ? ?thống? ?lai? ?ghép? ?giữa? ?mạng? ?thơng tin? ?vệ? ?tinh? ?và? ?mạng? ?mặt? ?đất 10 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THƠNG? ?TIN? ?VỆ? ?TINH? ?VÀ KỸ THUẬT VƠ TUYẾN NHẬN THỨC 1.1 Tổng quan về? ?hệ? ?thống? ?thơng? ?tin? ?vệ? ?tinh. .. Chương 1: Tổng quan về thơng? ?tin? ?vệ ? ?tinh? ?và? ?kỹ ? ?thuật? ?vơ? ?tuyến? ?nhận thức Chương 2: ? ?Hệ? ?thống? ?mạng? ?mặt? ?đất? ?trong thơng? ?tin? ?vệ? ?tinh? ?và? ?tích hợp hệ? ?thống? ?mặt? ?đất? ?–? ?vệ? ?tinh? ?trong truyền thơng đa phương tiện ... ? ?tinh? ?? ?mặt? ?đất, hứa hẹn là một trong những cơng nghệ đầy triển vọng, phù hợp với tiến trình phát triển của các? ?hệ? ?thống? ?thơng? ?tin? ?vơ? ?tuyến Đồ án ? ?Nghiên? ?cứu? ?kỹ ? ?thuật? ?vơ? ?tuyến? ?nhận? ?thức? ?cho? ?hệ? ?thống? ?lai ghép? ?giữa? ?mạng? ?thơng? ?tin? ?vệ? ?tinh? ?và? ?mạng? ?mặt? ?đất? ?? với mục đích? ?nghiên? ?