c. Cảm biến dựa trên nhiễu
2.6.2. Trên băng tần không được cấp phép
Các mạng phụ có thể được thiết kế để hoạt động trên các băng không cấp phép để cải thiện hiệu quả sử dụng phổ trong phần phổ này. Mạng phụ hoạt động trên băng không cấp phép được minh họa trên Hình 2-16. Tất cả các người dùng phụ trong mạng có quyền như nhau khi truy nhập tới các băng phổ. Nhiều mạng phụ cùng tồn tại trong một vùng giống nhau và truyền thông sử dụng cũng một phần phổ như nhau. Các thuật toán chia sẻ phổ thông minh có thể cải thiện hiệu quả sử dụng phổ và hỗ trợ QoS cao.
Hình 2.16. 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 việc truyền 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 dùng chính khác. Tuy nhiên, vì tất cả những người dùng phụ có quyền truy nhập phổ như 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 những người dùng trong mạng phụ. Nếu nhiều mạng phụ nằm trong cùng một băng không cấp phép thì phải có phương pháp chia sẻ phổ phù hợp giữa các mạng này.
2.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG
Trong chương này đã trình bày những vần đề cơ bản về kênh truyền như: nhận dạng kênh, đặc tính kênh, suy hao đường truyền. Đồng thời cũng nêu lên được tầm quan trọng và sự ảnh hưởng của SDR trong mạng vô tuyến nhận thức, sự khác biệt của mạng vô tuyến truyền thống hiện nay so với mạng vô tuyến nhận thức có sử dụng SDR.
Ngoài ra cũng đã giới thiệu tổng quan về cấu trúc vật lý, mô hình hệ thống và nguyên tắc hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức. Tạo cơ sở cho việc nghiên cứu kỹ thuật ước lượng kênh truyền được trình bày trong chương 3.
CHƯƠNG 3
KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC
3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Hai chương trước, tác giả đã trình bày về những đặc điểm, cấu trúc cũng như hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức. Trong chương này, tác giả sẽ tập trung vào vấn đề quan trọng trong mạng vô tuyến nhận thức, đó là việc truy cập phổ tần động. Hai thuật toán ước lượng kênh truyền là MAP và ML được trình bày ở phần tiếp theo làm cơ sở để nghiên cứu kỹ thuật ước lượng kênh truyền trong mạng vô tuyến nhận thức. Để cụ thể hơn, phần cuối của chương, tác giả tập trung khai thác những điểm khác nhau cơ bản giữa kỹ thuật ước lượng kênh truyền trong mạng truyền thống và mạng vô tuyến nhận thức.
3.2. TRUY CẬP PHỔ TẦN ĐỘNG TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC [18]
Để có thể tận dụng được những hố phổ rỗi như hình 1.1, một phương pháp quan trọng được áp dụng trong mạng vô tuyến nhận thức, đó là phương pháp truy cập phổ tần động. Phương pháp này cho phép các thiết bị vô tuyến nhận thức thực hiện thông tin một cách thông minh theo độ khả dụng của phổ tần. Truy cập phổ tần động, được thể hiện ở khối lựa chọn tần số động DFS như trên hình 3.1. Sự kết hợp của truy cập phổ tần động với khối IPD cho phép thiết bị vô tuyến không được cấp phép truy cập vào băng tần được cấp phép trong một khoảng thời gian ngắn mà không ảnh hưởng đến quyền truy cập mạng của thiết bị có quyền ưu tiên cao hơn. Việc chia sẻ phổ tần giữa các hệ thống vô tuyến khác nhau thực chất là việc chia sẻ việc sử dụng các dải tần số giữa các mạng truy nhập vô tuyến khác nhau mà thôi. Vì trong các hệ
thống, tài nguyên vô tuyến chủ yếu được các mạng truy nhập sử dụng để truyền dẫn tín hiệu từ mạng đến khách hàng. Cơ chế hoạt động của phân bổ tần số động giữa các mạng truy nhập như sau: Sử dụng các khoảng tần số liền kề để cấp phát cho các mạng truy nhập vô tuyến khác nhau. Các khoảng tần số ấn định cho mỗi hệ thống được phân cách bằng một băng tần bảo vệ, việc làm này cũng giống với cơ chế phân bổ tần số cố định hiện nay. Tuy nhiên, ở cơ chế phân bổ tài nguyên này bề rộng phổ gán cho mỗi một mạng truy nhập vô tuyến được thay đổi tùy theo thay đổi của yêu cầu phổ tần của từng mạng theo thời gian và không gian như Hình 3.1(a) và hình 3.1(b).
Hình 3. 1(a) Phân bố tài nguyên vô tuyến cố định Hình 3. 1(b) Phân bố tài nguyên vô tuyến động
Cơ chế phân bổ phổ tần liền kề động này có ưu điểm là việc quản lý và phân bổ tài nguyên phổ tần đơn giản, trong khi vẫn có được những ưu điểm như đối với phương pháp phân bổ tần cố định, như kiểm soát được nhiễu từ các mạng truy nhập vô tuyến khác chỉ cần dùng một băng tần bảo vệ. Hơn thế nữa, cơ chế này tối thiểu hóa việc hợp tác quản lý giữa hai mạng truy nhập bởi vì chúng ta chỉ cần xác định được vị trí của dải tần bảo vệ giữa hai băng tần ấn định liền kề. Tuy nhiên, do sự đơn giản trong việc quản lý phổ tần của
cơ chế nên cũng có những nhược điểm như: Nếu muốn tăng băng tần cho một mạng truy nhập vô tuyến thì băng tần của mạng truy nhập vô tuyến lân cận sẽ bị cắt giảm. Do đó, nếu một mạng truy nhậpvô tuyến có nhu cầu tăng lượng băng tần cấp phép sẽ không được đáp ứng nếu như mạng truy nhập vô tuyến bên cạnh không thể cắt giảm băng tần của mình được. Mặc dù còn tồn tại nhược điểm như vậy nhưng phương pháp phân bổ tài nguyên này vẫn có ý nghĩa trong việc tận dụng các băng tần trống của các hệ thống mạng truy nhập khách dựa trên quy luật dịch vụ mà không phải sử dụng các thuật toán điều khiển quá phức tạp.
Hiện nay, phương pháp phân bổ tài nguyên vô tuyến động đang được tập trung nghiên cứu trong các mạng truy nhập vô tuyến là mạng di động 3G (UMTS) và hệ thống truyền hình quảng bá số mặt đất DVB-T. Lựa chọn hai loại mạng truy nhập này để đưa vào nghiên cứu vì hai mạng truy nhập này có cơ chế cung cấp dịch vụ hoàn toàn khác nhau. Một bên là cung cấp dịch vụ theo yêu cầu của khách hàng (mạng di động) trong khi đó mạng truyền hình quảng bá số mặt đất thì phát quảng bá tín hiệu đến các khu vực khác nhau. Đối với mạng di động thì nhu cầu về băng tần chủ yếu tập trung vào giờ làm việc trong khi đó các dịch vụ truyền hình lại chủ yếu tập trung vào ngoài giờ làm việc. Đặc điểm khác biệt về quy luật dịch vụ này làm cho vai trò của việc phân bổ phổ tần động ở trên trở nên cấp thiết và quan trọng hơn. Hơn thế nữa, mạng 3G-UMTS và mạng truyền hình quảng bá vô tuyến số mặt đất DVB-T có chung bề rộng sóng mang (Với 3G-UMTS là 5 MHz trong khi đó DVB-T là 8 MHz). Một phân tích về qui luật sử dụng dịch vụ của hai hệ thống trên, được trình bày ở Hình 3.2.
Hình 3.2. Dạng phân bố lưu lượng thay đổi theo thời gian của dịch vụ DVB-T và UMTS
3.2.1. Phân bổ phổ tần động theo thời gian
Thuật toán phân bố tần số động liền kề theo thời gian sẽ hoạt động theo các chu kỳ định trước cho từng ngày. Những tính toán về phổ tần yêu cầu bởi mỗi mạng truy nhập vô tuyến dựa trên những dự đoán về tải hệ thống. Do đó, việc dự đoán tải của từng mạng truy nhập sẽ là phần tử quan trọng trong thuật toán phân bổ phổ tần động theo thời gian. Quá trình dự đoán tải gồm hai vấn đề: Lịch sử tải, đó là một cơ sở dữ liệu về tải trọng của mạng trong thời gian trước đó, và thuật toán dự đoán theo chuỗi thời gian. Nếu như các sự kiện về tải bất thường sảy ra, yếu tố lịch sử tải trọng sẽ không thể cung cấp đầy đủ thông tin để thích ứng, do đó sẽ dẫn đến việc phân bổ phổ tần không hiệu quả và chính xác. Khi đó, dự đoán chuỗi thời gian sẽ được sử dụng để ước tính tải trọng. Dựa trên dự đoán tải trọng, các mạng truy nhập vô tuyến sẽ ước tính được số sóng mang sẽ phải đáp ứng cho mạng truy nhập trong thời gian sắp tới. Các mạng truy nhập vô tuyến sẽ thông báo cho phân hệ phân bổ tài nguyên vô tuyến động những tần số sóng mang hiện tại nó không dùng. Và các tần số sóng mang trống này sẽ được gán lại cho các mạng truy nhập vô
tuyến khác nếu chúng có nhu cầu. Lưu ý rằng, một sóng mang vô tuyến nào đó sẽ được gán cho mạng truy nhập vô tuyến khác nếu như không có cuộc gọi nào đang được mang đi trên nó. Thuật toán phân bổ tài nguyên sẽ quyết định cách thức mà các tần số sóng mang còn trống được phân bổ cho các mạng truy nhập vô tuyến. Để nhiều sóng mang trống đối với một hệ thống phân bổ tài nguyên vô tuyến động nào đó, các cuộc gọi mới trong mạng truy nhập thường được truyền tải trên các sóng mang cách xa băng tần bảo vệ nhất giữa hai mạng truy nhập vô tuyến hoặc chuyển giao các cuộc gọi hiện hành sang các tần số đó nếu có thể. Do đó, các tần số sóng mang gần với khoảng bảo vệ sẽ được sử dụng để ấn định lại cho một mạng truy nhập vô tuyến khi cần. Chức năng cơ bản của phân bổ tài nguyên vô tuyến động theo thời gian được thể hiện ở Hình 3.3.
Hình 3.3 Phân bố tài nguyên sóng mang cho các mạng truy cập vô tuyến
Hoạt động của thuật toán phân bổ tài nguyên vô tuyến động theo thời gian dựa trên đặc tính lưu lượng biến đổi theo thời gian của các mạng truy nhập vô tuyến. Hình 5.4 minh họa đặc tính lưu lượng của dịnh vụ thoại (mạng UMTS) và dịch vụ video (DVB-T).
3.2.2 Phân bổ tài nguyên vô tuyến động theo thời gian khi dự đoán tải hoàn hảo
Chúng ta xem xét hoạt động của bộ phân bổ tài nguyên vô tuyến động trongtrường hợp dự đoán tải hoàn hảo, nghĩa là không có sự kiện bất ngờ nào xảy ra trong đặc tính lưu lượng của các mạng truy nhập vô tuyến. Điều này cũng đồng nghĩa với lịch sử sẽ không mang lại ước tính tốt cho tải của mạng truy nhập vô tuyến trong tương lai.
Hình 3.4 Ảnh hưởng của khoảng truy nhập phổ tần động DSA lên hiệu năng của hệ thống
Hình 3.4 thể hiện hoạt động của thuật toán phân bổ tài nguyên động theo thời gian ở các khoảng thời gian khác nhau giữa các lần ấn định lại phổ tần. Theo đó, độ lợi của thuật toán phân bổ tài nguyên động sẽ thay đổi khi các khoảng thời gian của thuật toán phân bổ tài nguyên động tăng lên. Kết quả trên hình 3.4 thể hiện hai miền ký hiệu là phân bổ tài nguyên tần số động tin cậy và không tin cậy. Trong khoảng thời gian dưới 4 giờ thì độ lợi của các mạng truy nhập vô tuyến đều vượt trội so với độ lợi của phương pháp phân bố tài nguyên cố định. Tuy vậy với khoảng thời gian của phân bổ tài nguyên vô tuyến động lớn hơn 4 giờ đồng hồ thì độ lợi của tất các mạng truy nhập vô
tuyến đều sụt giảm rất nhanh và thấp hơn với độ lợi của thuật toán ấn định tài nguyên cố định thông thường. Hiện tượng này có thể lý giải là do thời gian phân bổ tài nguyên động đã đủ dài để khi đó tải của mạng truy nhập vô tuyến đã thay đổi do đó việc phân phối tài nguyên phổ tần không còn chính xác nữa, dẫn đến hiệu quả của thuật toán phân bổ tài nguyên bị giảm.
Hình 3.5 Ảnh hưởng của tương quan mẫu lưu lượng
Hình 3.5 cho thấy tăng ích của thuật toán phân bổ tài nguyên động thay đổi theo hệ số tương quan về đặc tính lưu lượng của các mạng truy nhập vô tuyến. Độ lợi của thuật toán phân bổ tài nguyên động cao hơn thuật toán phân bổ tài nguyên cố định khoảng 40% đối với hệ số tương quan âm. Khi hệ số tương quan tăng dần thì độ lợi của thuật toán phân bổ tài nguyên động sẽ giảm. Khi hệ số tương quan lưu lượng dịch vụ của các mạng vô tuyến lớn hơn 0.5 lúc này độ lợi của thuật toán phân bổ tài nguyên cố định sẽ giảm đi và thấp hơn so với thuật toán phân bổ tài nguyên cố định.
3.2.3 Phân bổ tài nguyên động trong trường hợp dự đoán tải không hoàn hảo
Phần trên đã xem xét kết quả của thuật toán phân bố tài nguyên động trong trường hợp dự đoán tải mạng truy nhập vô tuyến là hoàn hảo. Tuy nhiên
trên thực tế, có những trường hợp lưu lượng tải của mạng truy nhập khác biệt hoàn toàn với lưu lượng tải của nó trước đó. Ví dụ, do một sự kiện đặc biệt nào đó mà lưu lượng cuộc gọi trong mạng UMTS tăng đột biến hoặc nhu cầu truy nhập dịch vụ video sẽ tăng vọt khi có sự kiện nóng diễn ra. Trong trường hợp như vậy, ba thuật toán dự đoán khác nhau được sử dụng để thử nghiệm. Thuật toán đơn giản đầu tiên đó là dựa trên giá trị của tải trong khoảng thời gian trước. Hai thuật toán còn lại sẽ sử dụng tải ngay trong chu kỳ trước đó và nếu nó nhỏ hơn 5% so với tải lịch sử thì thuật toán sẽ sử dụng tải lịch sử để ước tính tải trọng. Ngược lại, thuật toán sử dụng chuỗi thời gian sẽ được sử dụng để ước tính tải trọng trong tương lai. Kết quả cho thấy, thuật toán sử dụng chuỗi thời gian sẽ cho kết quả tốt hơn như minh họa trên Hình 3.6
Hình 3.6 Ảnh hưởng của khoảng DSA đến thuật toán dự đoán tải không hoàn hảo
3.3. KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN ML [4], [5], [12]
Thuật toán ước lượng “Tương đồng cực đại” ML được trình bày như sau:
( ) ( )' '' f y x ≥ f y x f y x( ) ( )' ≥ f y x'' cho tất cả x''∈AM (3.1) Ở đây: 2 0 0 1 1 ( ) exp (2 )N N f y x Hx y N N π = − − (3.2)
Khi η : CN(0,N I0 N), Thuật toán ước lượng ML có thể được rút gọn như sau: { 2} ˆ ' min arg x M x A Hx y = ∈ − (3.3) Một cách khác, chúng ta có thể biểu diễn tín hiệu ước lượng được xˆML
bằng một hàm sau:
xˆML=(HT.H)-1.HT.y (3.4) Trong đó:
H: Hàm kênh của hệ thống
HT: Ma trận chuyển vị của ma trận H
xˆML: Tín hiệu thu theo kỹ thuật ước lượng ML y: Tín hiệu thu được
Khó khăn của việc tách tín hiệu là do sự phức tạp của chuỗi tín hiệu phát tăng lên trong quá trình truyền trong môi trường truyền tin.
3.4. KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN MAP [4], [5], [12]
Một trong các phương pháp ước lượng kênh truyền đó là giải thuật xác suất hậu nghiệm cực đại MAP. Nó được định nghĩa bằng biểu thức sau:
( ) { } ˆ ' max Pr ' arg x M x A x y is received = ∈ (3.5)
Chúng ta có thể biểu diễn tín hiệu ước lượng được xˆMAP bằng một hàm sau:
MAP xˆ =(HT.H+ 0 N I )-1.HT.y (3.6) Trong đó : H: Hàm kênh của hệ thống HT: Ma trận chuyển vị của ma trận H
xˆMAP: Tín hiệu thu theo kỹ thuật ước lượng MAP y: Tín hiệu thu được
I: Ma trận đường chéo đơn vị N0: Công suất nhiễu
Đây là giải thuật ước lượng cho xác suất lỗi Pe nhỏ nhất. Tuy vậy nó lại có một nhược điểm là độ phức tạo khá cao. Độ phức tạp của nó là một hàm mũ trong trường hợp anten thu nhận tín hiệu từ tập M
A của hệ thống M anten phát. Chẳng hạn như, một hệ thống sử dụng phương pháp điều chế QAM-16 và có 4 anten phát thì bộ tách tín hiệu tại máy thu dùng thuật toán MAP sẽ thực hiện tìm kiếm 644= 16777216 ký tự.
3.5. ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC (1x1)
Đối với mạng vô tuyến nhận thức do có sự tồn tại song song của 2 mạng