CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT THÔNG TIN VÀ KIẾN THỨC TỔNG QUAN . 2
1.2 Truyền thông hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức
1.2.2 Mạng vô tuyến nhận thức
Mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Networks) là hệ thống mà các phần tử của nó có khả năng thay đổi các tham số (công suất, tần số) trên cơ sở tương tác với môi trường hoạt động. Mục đích của mạng vô tuyến nhận thức là cho phép các thiết bị vô tuyến khác hoạt động trên các dải tần còn trống tạm thời mà không gây nhiễu đến các hệ thống vô tuyến có quyền ưu tiên cao hơn hoạt động trên dải tần đó. Các thành phần kiến trúc của mạng vô tuyến nhận thức bao gồm hai nhóm mạng: mạng chính (mạng sở hữu bản quyền tần số, mạng chính - Primary Network) và mạng vô tuyến nhận thức (mạng thứ cấp – Secondary Network).
Mạng chính (Primary Network): Có quyền truy cập tới băng tần được cấp phép, ví dụ như mạng truyền hình quảng bá, hay mạng di động tế bào. Các thành phần của mạng chính bao gồm:
- Người dùng chính (Primary User): Người dùng có giấy phép để hoạt động trong một băng tần nhất định. Truy nhập này chỉ được giám sát bởi trạm gốc chính và không bị ảnh hưởng bởi những hoạt động của bất kì người dùng không được cấp phép khác.
- Trạm gốc chính (Primary Base-Station): là thành phần cơ sở hạ tầng mạng được cố định, có giấy phép phổ, như trạm BTS trong mạng tế bào.
Mạng vô tuyến nhận thức (Secondary Network): Mạng vô tuyến nhận thức hay mạng không có giấy phép để hoạt động trong một băng tần mong muốn. Do đó, nó chỉ được phép truy cập phổ khi có cơ hội. Các thành phần của mạng vô tuyến nhận thức bao gồm:
- Người dùng vô tuyến nhận thức (Secondary User, Cognitive User):
Người dùng không được cấp phép, người dùng vô tuyến nhận thức không có giấy phép sử dụng phổ. Do đó, những người dùng này cần có các chức năng cộng thêm để chia sẻ băng tần cấp phép. Những người dùng này sử dụng những kỹ thuật truy cập vô tuyến nâng cao để sử dụng chung dải tần với các PU mà không gây ảnh hưởng đến hoạt động của các PU.
- Trạm gốc vô tuyến nhận thức (Secondary Base Station): Trạm gốc không cấp phép hay trạm gốc vô tuyến nhận thức là thành phần cơ sở hạ tầng cố định có các khả năng của mạng không dây nhận thức. Trạm gốc vô tuyến nhận thức cung cấp kết nối đơn chặng tới những người dùng vô tuyến nhận thức mà không cần giấy phép truy cập phổ. Thông qua kết nối này, người dùng vô tuyến nhận thức có thể truy nhập đến các mạng khác.
Có ba mô hình phổ biến được sử dụng trong mạng vô tuyến nhận thức, đó là mô hình Interweave, mô hình Underlay và mô hình Overlay. Mỗi mô hình hoạt động dựa trên các kỹ thuật và nguyên tắc khác nhau.
Mô hình Interweave: Một SU sẽ phát hiện ra các khe trống phổ và thực hiện truyền thông qua phổ trống đó mà không gây nhiễu tới PU. Để một SU truyền hiệu quả qua các khe trống phổ cần có các cảm biến để phát hiện chính
biến để phát hiện các khe phổ trống là rất quan trọng, cần lưu ý rằng không để xảy ra việc truyền đồng thời của cả PU và SU trên cùng một dải tần và SU phải ngừng sử dụng phổ ngay khi PU sử dụng lại phổ. Khi đó việc truyền thông của SU phải chấm dứt nếu SU không tìm ra được một khe phổ trống khác để tiến hành chuyển giao. Ưu điểm của việc truy cập dựa trên cơ chế interweave là SU có thể truyền với công suất phát tối đa trên một khe phổ trống mà không cần quan tâm đến nhiễu ảnh hưởng đến PU. Tuy nhiên việc phát hiện ra một cách chính xác các khe phổ trống trong môi trường mạng vô tuyến nhiễu động không đơn giản, do đó việc phát hiện không chính xác có thể gây nhiễu nghiêm trọng cho PU.
Hình 1.10: Ví dụ về truy cập phổ Interweave
Mô hình Underlay: Trong kỹ thuật truy cập phổ Underlay, SU được phép truy cập đồng thời vào dải phổ cấp phép của PU, các SU phải thực hiện điều khiển công suất phát của mình một cách nghiêm ngặt nhằm đảm bảo lượng nhiễu gây ra cho PU không vượt qua một mức giới hạn được quy định bởi mạng chính . Kết quả là, những ràng buộc này không chỉ thu hẹp phạm vi truyền sóng mà còn hạn chế tốc độ truyền của SU.
Hình 1.11: Ví dụ về truy cập phổ Underlay
Mô hình Overlay: Trong hệ thống Overlay, SU-Tx có thể đồng thời truy cập tần số của PU-Tx. Tuy nhiên, để đảm bảo không làm suy giảm hiệu năng của mạng chính, SU-Tx áp dụng các kỹ thuật để triệt tiêu nhiễu gây ra tại PU- Rx. Cụ thể là, SU-Tx phải biết được codebooks của mạng chính. Sau đó, SU- Tx có thể dùng thông tin này theo một số cách để loại bỏ hoặc triệt tiêu nhiễu.
Một mặt, SU-Tx có thể sử dụng thông tin này để hợp tác với PU-Tx bằng cách sử dụng một phần công suất phát để truyền tín hiệu của mạng chính. Mặt khác thông tin về codebook này cũng được sử dụng tại phía thu của mạng vô tuyến nhận thức để loại bỏ tín hiệu của mạng chính ra khỏi tín hiệu nhận được. Bằng cách tiếp cận này, hiệu suất của cả hai mạng vô tuyến nhận thức và chính đều được cải thiện.
Tuy nhiên trong một số điều kiện khi không có sự điều phối giữa mạng chính và vô tuyến nhận thức, Overlay khó có thể thực hiện. Nguyên nhân có thể là do PU-Tx có thể ở xa SU, hoặc nó bị ẩn đối với SU do các vật cản. Vì vậy SU không thể giải mã các bản tin PU-Tx tại thời điểm bắt đầu của giai đoạn truyền