2.3.1. Khái niệm về vô tuyến nhận thức
Cách đây hơn thập kỷ, giới hạn tài nguyên phổ gần nhƣ tăng theo cấp số nhân, cùng lúc thì công nghệ không dây ngày càng phát triển và nhu cầu sử dụng của ngƣời dùng ngày càng tăng cao. Tại thời điểm này, thì môi trƣờng không dây không thể thỏa mãn đƣợc nhu cầu ngƣời dùng về băng thông cũng nhƣ tốc độ.
Công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) xuất hiện đáp ứng giải quyết về sự khan hiếm tài nguyên phổ, và nó nhƣ một công nghệ tối ƣu cho việc sử dụng lại phổ và do đó nó gia tăng hiệu suất phổ[9].
Theo định nghĩa, vô tuyến nhận thức là “Hệ thống truyền thông thông minh, nó nhận thức đƣợc môi trƣờng xung quanh (ví dụ nhƣ thế giới bên ngoài) và dùng phƣơng pháp luận của sự hiểu biết – xây dựng đƣợc học từ môi trƣờng và thích ứng với các trạng thái bên trong môi trƣờng để thống kê các biến bên trong tần số vô tuyến đƣợc kích thích bởi các tham số thay đổi tƣơng ứng (ví dụ nhƣ công suất truyền, tần số sóng mang, và chính sách điều chế) trong thời gian thực với hai mục tiêu chính: truyền thông bất cứ lúc nào và bất cứ nơi đâu khi cần với độ tin cậy cao, tận dụng hiệu suất của phổ vô tuyến”.
Công nghệ vô tuyến nhận thức dựa trên nền tảng các hệ thống đƣợc cấp phép (hay còn gọi là hệ thống chính Primary system - PS) và không bao giờ sử dụng lại băng tần phổ đó. CR mang đến một loại vô tuyến mới – vô tuyến nhận
thức – đầu tiên, nó sẽ nhận dạng các khoảng hở phổ đang tồn tại sau đó nó sẽ sử dụng chúng một cách linh hoạt.
2.3.2. Vô tuyến nhận thức trong các hệ thống thông tin không dây
Ngày nay, công nghệ viễn thông và internet đã hội tụ để giải quyết các yêu cầu mới cho các dịch vụ không dây có độ tin cậy cao và sử dụng mọi lúc mọi nơi, đòi hỏi phải gia tăng tốc độ dữ liệu và chất lƣợng dịch vụ tốt hơn qua các mô hình quản lý hiệu suất phổ. Mạng thế hệ tiếp theo hứa hẹn giải quyết các vấn đề về phổ để đáp ứng các mô hình dịch vụ mới giữa các mạng tế bào đang tồn tại và mở rộng[14].
Công nghệ chính cho việc nâng cao hiệu suất phổ chính là công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio), đƣợc giới thiệu lần đầu bởi Mitolla. Vô tuyến nhận thức dựa trên cơ sở các sóng vô tuyến đƣợc định nghĩa bằng phần mềm (Software Defined Radios) và cung cấp khả năng điều chỉnh các tham số thu và phát theo các nhân tố trong và ngoài môi trƣờng vô tuyến nhƣ phổ tần số vô tuyến, cách thức hoạt động và trạng thái mạng.
Theo thuật ngữ CR, một mạng đƣợc cấp phép chính là băng tần phổ của mạng chính PN (Primary Network) và ngƣời dùng trong mạng chính gọi là PUs (Primary Users). Mặt khác, mạng CR cũng tham chiếu đến một mạng thứ cấp SN (Secondary Network) và ngƣời dùng trên mạng thứ cấp gọi là SUs (Secondary Users). Các ngƣời dùng trong mạng SN sẽ không làm nhiễu đến các PUs. Do tính không đồng nhất đƣợc sử dụng, sự thay đổi trong các yêu cầu QoS, ngƣời dùng di động và các khả năng khác nhau của ngƣời dùng đầu cuối, các thiết kế của SN phải đƣa vào các tham số hệ thống thay đổi động. Có ba chức năng cơ bản mà SN phải thực hiện: cảm biến phổ, quản lý phổ và truy nhập phổ.
Cảm biến phổ là thành phần quan trọng trong truyền thông vô tuyến nhận thức, vì nó cho phép CR thích ứng với môi trƣờng của nó bằng cách phát hiện các kẽ hở phổ, nghĩa là các khu vực quang phổ để nó hoạt động một cách thích hợp. Cách hiệu quả nhất để phát hiện sự sẵn có của phần quang phổ là phát hiện dữ liệu nhận của PUs trong phạm vi hoạt động của CR. Tuy nhiên, mô hình phát hiện nhƣ vậy đối phó với các nguồn không chắc chắn khác nhau, từ kênh và nhiễu ồn ngẫu nhiên làm cho hạn chế khả năng của các ngƣời dùng đầu cuối và các mức độ mạng khác nhau. Mặt khác, nó là khó khăn cho CR để có một phƣơng pháp đo trực tiếp của một kênh giữa máy phát và máy thu của PU. Vì vậy, hiện tại hầu hết các thuật toán cảm biến quang phổ tập trung vào phát hiện của PU truyền tín hiệu dựa trên những quan sát của CR tại vùng đó.
Quản lý phổ tập trung vào xác định băng tần phổ phù hợp đƣợc sử dụng bởi mỗi SU để nhằm đáp ứng các yêu cầu của nó. Môi trƣờng không dây CR có tính động rất cao và các kẽ hở phổ thƣờng bị phân mãnh với các kích thƣớc khác nhau. Ngoài ra, sự sẵn có của các kẽ hỡ quang phổ khác nhau trong miền không gian và thời gian, trong khi sử dụng phổ trong miền không gian thì bị ảnh hƣởng bởi PU và SU di động. Điều này làm cho việc thiết kế quản lý phổ có những thách thức lớn về các vấn đề nhƣ tối ƣu hóa thời gian khác nhau và cấu trúc mạng.
Truy nhập phổ đƣợc điều khiển bởi giao thức điều khiển môi trƣờng truy nhập MAC, xác định các cơ hội truyền tải nhƣ thế nào đƣợc khai thác bởi các SUs, nhằm giảm thiểu tranh chấp và can thiệp trong đó. Điều này đạt đƣợc bằng cách sử dụng các cơ chế hoạt động trong miền thời gian, tần số, mã hóa và miền không gian. Tuy nhiên các giao thức MAC hiện tại không cung cấp hỗ trợ đầy đủ cho các yêu cầu không đồng nhất của QoS. Hầu hết trong những giải pháp đƣợc đề xuất xử dụng một kênh điều khiển chung (Common Control Channel) để quảng bá thông tin đến SN, và các bản tin trao đổi đàm phán giữa máy thu và máy phát của trạm thứ cấp SN. Một số đề xuất khác mà không yêu cầu sử dụng kênh điều khiển chung, bao gồm các cơ chế đồng bộ hóa nghiêm ngặt đối với các SUs.
2.3.3. Đề xuất mô hình kiến trúc mạng Femtocell nhận thức
Mạng femtocell nhận thức là một mạng femtocell bao gồm các FAP với khả năng vô tuyến nhận thức hoặc khả năng nhận thức nói chung. Các FAP với các khả năng đó đƣợc gọi là các FAP nhận thức hay gọi là các CFAP (Cognitive Femtocell Access Point) [14]. Khả năng nhận thức có thể hiểu nhiều cách khác nhau trong nhiều miền khác nhau.
Mô hình kiến trúc mạng femtocell nhận thức đƣợc mô tả nhƣ hình 2.5 [22], mạng femtocell nhận thức sẽ nhận biết môi trƣờng vô tuyến xung quang bằng cảm biến phổ để ƣớc lƣợng tài nguyên phổ còn trống. Điều này cũng sẽ ngăn chặn vài giao tiếp với vùng phủ macrocell. Với femtocell nhận thức dữ liệu đƣợc phân phối và quản lý bởi gateway, gateway có nhiệm vụ phân phối dữ liệu giữa các lớp khác nhau và đảm bảo QoS.
Femtocell kết nối đến trạm cơ sở macrocell bằng đƣờng dây thuê bao số xDSL hoặc cáp quang. Đƣờng kết nối mặt đất này là cần thiết cho việc phát triển các trạm cơ sở femtocell (Femtocell Base Station). Hơn nữa, mô hình mạng không dây kiểu lƣới đƣợc dùng trong việc cải thiện độ tin cậy và hiệu năng trong chu kỳ hiệu suất phổ. Macrocell hoạt động nhƣ điểm chính cung cấp cho tất cả các femtocell ở trong vùng phủ của macrocell. Femtocell sẽ dùng các hiểu biết của mình về môi trƣờng xung quanh là các nhân tố đầu vào để gửi đến lớp quản lý.
Những dữ liệu này đƣợc định dạng gói tin và thời gian phân phát nhằm tránh mất gói và thời gian bộ đệm gói tin. Do đó, quyết định truyền tải đƣợc thực hiện dựa trên cơ sở sự thay đổi môi trƣờng không dây thời gian thực và các cơ hội truyền tải dữ liệu cao nhất cho ngƣời dùng cuối.
Mục tiêu chính trong việc triển khai femtocell là cung cấp các dịch vụ dữ liệu cho nhiều ngƣời dùng với chi phí thấp và băng thông lớn. Tất cả các dữ liệu đƣợc phân phối qua các lớp khác đƣợc thực hiện tại gateway, gateway làm giảm
lƣu lƣợng trao đổi với các trạm cơ sở macrocell. Điều này cải thiện khả năng của femtocell cho vùng phủ trong nhà, dung năng và khả năng mở rộng bằng cách giảm chi phí hoạt động, tiết kiệm năng lƣợng và đảm bảo mức chấp nhận đƣợc của QoS.
2.3.4. Khả năng nhận thức cho mạng Femtocell
2.3.4.1. Cảm biến phổ và truy nhập phổ động
Khả năng cảm biến phổ là thuộc tính cơ bản nhất và nổi tiếng nhất của nhận thức vô tuyến. Vô tuyến nhận thức thông qua cảm biến phổ nó sẽ phân tích môi trƣờng hoạt động và nhận thức đƣợc điều kiện giao tiếp trong các băng tần đang hoạt động mà nó nhận thức đƣợc. Sau khi thực hiện quét phổ, CFAPs có thể xác định vị trí phổ sẵn sàng trong cả hai tần số nhà mạng và băng tần xen kẽ để sử dụng. Khi đã xác định đƣợc kẽ hở phổ còn trống, CFAPs thực hiện phân phối tài nguyên và truy nhập trên chúng. Với việc bổ xung các nguồn tài nguyên phổ mới khác với băng tần của nhà cung cấp mạng thì nhiễu trong cùng lớp và khác lớp đƣợc giảm xuống, nhƣ vậy nếu cả hai lớp femto và macro đều phân bổ tần số trực giao thì không hiệu quả trong khi phân bổ đồng kênh có thể giải quyết đƣợc các vấn đề về nhiễu. Vì vậy, nguồn tài nguyên tần số này đƣợc phát hiện bởi vô tuyến nhận thức làm giảm bớt vấn đề phân bổ tần số. Cho nên, trong mạng femtocell nhận thức thì chất lƣợng tín hiệu cao hơn, băng thông cao hơn và hoạt động điện năng thấp hơn. Hơn nữa, CFAPs thƣờng xuyên theo dõi nhiễu trong môi trƣờng và áp dụng phân bổ phổ tần để tránh nhiễu giữa hai lớp mạng. Tuy nhiên hoạt động của CFAP sẽ bị gián đoạn bởi sự xuất hiện của chủ sở hữu đƣợc cấp phép chính (ví dụ nhƣ các thuê bao ở mạng sơ cấp), vì vậy CFAPs phải có khả năng cung cấp nhanh chóng chuyển đổi sang dải băng tần trống xen kẽ khác.
Các CFAP cảm biến tại mỗi khoảng thời gian đo kiểm mức độ nhiễu các khoảng tần số trong băng tần mà nó quan tâm và chọn tần số với mức nhiễu thấp nhất. Ví dụ, trong mạng tất cả các femtocell đều đồng bộ, CFAPs sẽ ở trạng thái im lặng và dò tìm các mức năng lƣợng để xác định vị trí các khối tài nguyên (Resource Block) không đƣợc sử dụng bởi macrocell, các khối tài nguyên với mức năng lƣợng dƣới một giá trị ngƣỡng đƣợc đánh dấu sẵn sàng sử dụng bởi CFAPs. Tuy nhiên, nếu các femtocell ở gần nhau thì các mức năng lƣợng đƣợc sử dụng bởi femtocell có thể giống hệt nhau dẫn đến gây nhiễu đồng lớp. Hơn nữa, quyết định khoảng thời gian cảm biến, cung cấp đồng bộ hóa cho cảm biến và các thuật toán xử lý quyết định trong các kiểu phân phối đòi hỏi phải nâng cao khả năng nhận thức tại CFAPs. Áp dụng phƣơng pháp lý thuyết trò chơi
(Game-theoretical) có thể đƣợc coi là lý tƣởng cho việc đƣa ra quyết định phân cấp, có thể đƣợc áp dụng trong quyết định phổ.
Cảm biến phổ thực hiện hai việc đó là tìm kiếm khoảng trống phổ dành cho femtocell sử dụng và cho phép truyền ƣu tiên cao hơn. Trong trƣờng hợp trƣớc đây, CFAP dùng một dải băng tần phổ và cung cấp chúng cho ngƣời sử dụng dựa trên chính sách phân phối tài nguyên của mình. Trong trƣờng hợp sau, nếu một tín hiệu đƣợc phát hiện ở mạng sơ cấp là tần số f1 lớn hơn truyền thông trong băng tần này thì đƣợc di chuyển đến băng tần f2. Quá trình này phải đƣợc thực hiện một cách nhanh chóng nếu không thì lúc đó các ngƣời dùng ở femtocell sẽ bị gián đoạn trong thông tin liên lạc. Thời gian chuyển giao phổ liên quan trực tiếp đến mô hình cảm biến phổ, cơ chế báo hiệu và thiết kế kênh điều khiển chung (Common Control Channel). Để có thể chuyển đổi trong quá trình truyền từ tín hiệu băng tần sơ cấp sang một băng tần khác, CFAP phải biết về các băng tần rỗi trong dãi phổ khác của macrocell hoặc trong phổ không cấp phép. Sự hiểu biết này đạt đƣợc nhờ kỹ thuật cảm biến phổ, ví dụ nhƣ cảm biến phổ theo chu kỳ hoặc không theo chu kỳ, cảm biến chủ động hoặc phản ứng. Sau khi đã xác định đƣợc một tần số mới thì CFAP sẽ báo hiệu đến ngƣời sử dụng liên quan, và cung cấp chuyển đổi ngay cho ngƣời dùng mà không làm gián đoạn. Báo hiệu có thể thông qua các kênh riêng biệt, ví dụ nhƣ kênh điều khiển chung riêng biệt hoặc thông qua các kênh đã sử dụng trên tín hiệu sơ cấp ban đầu. Nếu một kênh riêng biệt tồn tại, xử lý báo hiệu có thể hoàn thành đơn giản trong việc truyền các bản tin điều khiển thông qua kênh đó. Tuy nhiên, nó có thể không hiệu quả trong việc sử dụng tài nguyên. Ngƣợc lại, nếu không có kênh riêng biệt đó thì các bản tin báo hiệu có thể bị trễ và còn có thể bị mất gói tin. Do đó, CFAP phải sử dụng các mô hình quản lý phổ hiệu quả trong khi phải xem xét lại các vấn đề trên.
2.3.4.2. Tự tổ chức mạng
Do femtocell không biết đƣợc mô hình lớp mạng và thiếu thông tin về số lƣợng femtocell cũng nhƣ liên quan đến khả năng mở rộng. Ngoài ra nó cũng không xác định đƣợc vị trí tổ chức và điều khiển các femtocell từ các thực thể trung tâm (ví dụ nhƣ macrocell BS). Hơn nữa, một thuê bao không thể thực hiện các nhiệm vụ cấu hình nâng cao và phức tạp đến FAPs. Vì vậy, FAPs phải có khả năng thực hiện các nhiệm vụ cấu hình tự động và cũng có thể tự tổ chức phân cấp. Tự tổ chức đƣợc tính toán đơn giản, khả năng mở rộng và hiệu quả cao hơn so với tối ƣu hóa mạng tập trung. Vô tuyến nhận thức với khả năng tự
tổ chức mạng có thể phát triển cho mạng femtocell để hệ thống tự quản và tự động hóa. Các tính chất cơ bản đƣợc liệt kê nhƣ sau:
FAP là thiết bị đƣợc thiết lập từ ngƣời dùng, do đó nó đòi hỏi cài đặt và cấu hình một cách nhanh chóng cho ngƣời sử dụng không phải là chuyên gia. Do đó một FAP mới đƣợc cài đặt có thể nhận thông tin điều khiển mạng tự động từ nhà cung cấp mạng thông qua các kết nối backhaul và quản lý tự cấu hình mà không cần các bƣớc cấu hình phức tạp. Đây là một đặc tính cần thiết vì các thông số hoạt động đƣợc điều chỉnh tùy thuộc vào môi trƣờng vô tuyến tại vùng đó. Cấu hình tự động là tối quan trọng cho động cơ thức đẩy khách hàng mua femtocell và sử dụng nó một cách đơn giản, cắm vào là chạy.
Một CFAP cũng có thể phân tích môi trƣờng tần số vô tuyến và quảng bá các kết quả cảm nhận đƣợc đến các CFAP lân cận. Tƣơng tự nhƣ vậy, nó có thể quảng bá thông tin các kênh sử dụng cũng nhƣ các femtocell lân cận có thể xem xét trong việc phân phối tài nguyên.
Mỗi CFAP tùy thuộc vào nhu cầu lƣu lƣợng có thể phân bổ một tỷ lệ các kênh tần số. Phân bổ kênh dựa trên tải cũng nhƣ tăng cƣờng cân bằng tải trong mạng mà CFAPs yêu cầu nhiều lƣu lƣợng hoặc nhu cầu ngƣời dùng yêu cầu băng thông lớn sẽ đƣợc nhận nhiều hơn so với các FAP mà ở đó nhu cầu sử dụng ít.
Hơn nữa, vô tuyến nhận thức có tiềm năng đáng kể để cung cấp khả năng tự tổ chức nhƣ tự cấu hình, tự chẩn đoán, tự tối ƣu hóa và tự bảo vệ. Chức năng tự cấu hình là đặc biệt cần thiết trong trƣờng hợp các thiết bị mạng do nhiều nhà cung cấp. Ngƣời dùng có thể mua các thiết bị femtocell từ các nhà sản xuất thiết bị khác nhau và mỗi thiết bị đó phải có khả năng tự cấu hình và thích nghi với môi trƣờng hoạt động không đồng nhất đó. 3GPP LTE giới thiệu các khái niệm về tự tổ chức mạng (Self Organizing Network) nhƣ là khái niệm quan trọng để cung cấp với chi phí hiệu quả và chi phí hoạt động và bảo dƣỡng. SONs với các chức năng self-x nhằm giảm chi phí lắp đặt và quản lý bởi các hoạt động thông