Trong các hệ thống thông tin liên lạc dân sự, nhu cầu sử dụng phổ tần đang tăng nhanh và cần một số phương thức tiếp cận mới trong bài toán sử dụng tài nguyên phổ tần số một cách hiệu quả. Hiện tại, việc cấp phát sử dụng băng tần từ nhà quản lý đến người sử dụng vẫn trong trạng thái tĩnh, và trên thực tế, nhu cầu từ người sử dụng đang vượt quá băng thông tần số khả dụng. Tuy nhiên các thống kê cho thấy phần lớn băng tần không được sử dụng hoặc được sử dụng ở một mức độ rất hạn chế [76]. Tại Việt Nam, vấn đề khảo sát tần suất sử dụng tài nguyên phổ tần sốđược công bố trong [91]. Nhóm nghiên
cứu thực hiện đo đạc và phân tích dải tần từ 20 MHz đến 3000 MHz tại thành phố Hồ Chí Minh và tỉnh Long An, cho thấy trung bình, tần suất sử dụng phổ trong toàn dải là 13,74% đối với thành phố Hồ Chí Minh, và 11,19% đối với Long An. Băng tần được sử dụng thường xuyên nhất là băng tần truyền hình tương tự trong dải tần từ 470 MHz đến 806 MHz, đạt tần suất sử dụng là 58%. Vì vậy, vấn đề làm sao để không lãng phí tài nguyên phổ tần đang là vấn đề nóng hổi hiện nay được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm.
Phương pháp tiếp cận để vượt qua tình trạng cấp phát tần số tĩnh là sự xuất hiện các hệ thống có khả năng chia sẻ tài nguyên phổ tần một cách linh động. Những ví dụđiển hình của phương pháp này là các hệ thống xếp chồng, ở đó khi tài nguyên phổ không được sử dụng bởi người dùng đã được cấp phép (licensed user) hay còn gọi là người dùng sơ cấp (Primary User - PU), sẽ được cung cấp cho người dùng không được cấp phép (unlicensed user), hay còn gọi là người dùng thứ cấp (Secondary User - SU). Hiển nhiên một yêu cầu đặt ra là: các trạm đầu cuối trong một hệ thống SU cần phải có khả năng phát hiện được PU ngay lập tức khi PU hoạt động. Kiểu thiết bị đầu cuối vô tuyến này chính là CR, là thiết bị vô tuyến có khả năng tự học, thích nghi và thông minh, với khả năng cảm nhận môi trường vô tuyến và thích nghi với điều kiện hiện tại, chẳng hạn như các tần số rỗi có thể được sử dụng và đặc tính của kênh [20].
Nhiệm vụ phát hiện PU là một nhiệm vụ quan trọng của SU trong hệ thống CR. Tuy nhiên đây là một nhiệm vụ rất khó khăn bởi SU phải vượt qua những yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy của kết quả cảm nhận phổ trong môi trường liên lạc không dây. SU có thể phải đối mặt với các vấn đề như pha-đing đa đường hay tình trạng bị che khuất, những yếu tố có thể dẫn đến việc không thể phát hiện ra sự tồn tại của các PU. Hậu quả là SU có thể trở thành nguồn gây nhiễu đến sự hoạt động của PU. Điều này dẫn đến yêu cầu
đối với SU là phải có độ ổn định rất cao khi làm việc trong kênh thông tin mất cân bằng mà vẫn có thể phát hiện ra những tín hiệu có công suất rất nhỏ. Những yêu cầu này dẫn đến rất nhiều thách thức khó khăn cho khả năng hiện thực hóa các mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Network - CRN).
Bên cạnh những vấn đề cần vượt qua để tiến tới hiện thực hóa CR trong các hệ thống thông tin liên lạc không dây ứng dụng trong dân sự, nhiều vấn đề khó khăn khác nữa cũng cần phải giải quyết khi đưa mô hình CR vào các hệ thống thông tin liên lạc chiến thuật trong quân sự, khi mà CR cần phải luôn nhận thức một cách chính xác và nhanh chóng tình huống của mình trong một môi trường tác chiến rất động, và dường như không có những thông tin được cung cấp trước về tình trạng sử dụng phổ tần của các hệ thống thông tin vô tuyến khác. Ở đó cũng không có sẵn một hạ tầng thông tin liên lạc mà CR có thể sử dụng. Vì vậy CR cần phải tự khám phá và thích nghi với môi trường. Những vấn đề chính cần giải quyết khi đưa CR vào ứng dụng trong quân sự là [32], [5]: Khởi tạo; Mạng tự tổ chức (ad-hoc); Đồng bộ; Cảm nhận kênh; Bắt tay; Mã hóa; Điều chế và đa truy nhập thích nghi.
Như vậy, bất kể CR được ứng dụng trong quân sự hay dân sự, cảm nhận phổ là một thành phần quan trọng trong cấu trúc một CR điển hình. Mô hình chu kỳ hoạt động của một CR được đề xuất lần đầu bởi Mitola [59] được rút gọn như mô hình trong Hình 1.4 [23].
Trong chu kỳ hoạt động này, cảm nhận phổ là bước cung cấp thông tin đến cho CE để thực hiện phân tích tình huống, trước khi đưa ra quyết định và hành động. Các vấn đề nghiên cứu cho bài toán cảm nhận phổđược quan tâm ở nhiều khía cạnh khác nhau như: cảm nhận phổ đa chiều; các yêu cầu về phần cứng vật lý thực thi hệ thống; bài toán PU ẩn; thời gian và tần suất cảm nhận phổ tối ưu,…
1.2.2 Cảm nhận phổđa chiều
Khái niệm “Cơ hội sử dụng phổ” (spectrum opportunity), được định nghĩa là “một băng tần trống mà người dùng đầu tiên không sử dụng ở một thời điểm nào đó tại một vùng địa lý nào đó” [48]. Khái niệm mang tính truyền thống này chỉ xác định không gian phổ như một không gian ba chiều: tần số, thời gian và không gian. Tuy nhiên, còn có những chiều khác nữa cần phải được xem xét cho khái niệm “Cơ hội sử dụng phổ” mới, ví dụ như chiều mã trong thông tin trải phổ.
Một chiều không gian khác có thể kể tới là chiều “góc”. Với các công nghệ về anten tiên tiến, cho phép nhiều thiết bị có thể hoạt động tại cùng một không gian địa lý, trên cùng một băng tần, nhưng với các hướng phát xạ khác nhau. Như vậy, việc đánh giá chính xác góc hoạt động của PU cũng sẽ mang đến cơ hội sử dụng phổ cho SU ở cùng một vị trí địa lý. Để đánh giá hướng tới của tín hiệu (Direction Of Arrival - DOA), [37] đề xuất một phương thức có độ phức tạp tín toán thấp, dựa trên cơ sở phát hiện lượng sai pha của tín hiệu thu được từ một mạng anten đa phần tử. Tín hiệu thu được số hóa và xử lý bằng bộ SDR đơn kênh sử dụng nhiều khối PLL đểđánh giá giá trị pha.
Như vậy, không gian vô tuyến nhiều chiều có thể được định nghĩa như
“một siêu không gian lý thuyết được sử dụng bởi các tín hiệu vô tuyến, với các chiều vị trí địa lý, góc tới, tần số, thời gian và những chiều khác nữa”
dưới các tên gọi là “không gian điện” (eletrospace), “siêu không gian truyền dẫn”, “không gian phổ vô tuyến”, hoặc chỉ đơn giản là “không gian phổ”. Nó được sử dụng để mô tả cách thức mà môi trường vô tuyến được chia sẻ giữa nhiều hệ thống thông tin liên lạc PU và SU [22].
1.2.3 Nền tảng phần cứng thực thi CR
Đối với các vấn đề về phần cứng, cảm nhận phổ trong CR yêu cầu các bộ biến đổi ADC có tốc độ lấy mẫu cao, độ phân giải và dải động lớn cùng với các bộ xử lý tín hiệu tốc độ cao. Các kỹ thuật quan trọng cần phải được tích hợp trong hệ thống như kỹ thuật đánh giá phương sai tạp âm trong máy thu tối ưu, điều khiển công suất hay các kỹ thuật định vị kênh [13]. Trong CRN, các thiết bị đầu cuối phải có khả năng xử lý tín hiệu trong một dải tần rất rộng với tốc độ nhanh để tìm kiếm cơ hội hoạt động cho mình. Vì vậy các thành phần phần cứng trong hệ thống cũng phải đáp ứng được yêu cầu này.
Cảm nhận phổ có thể được thực hiện thông qua hai kiến trúc khác nhau: “vô tuyến đơn” và “vô tuyến kép” [88], [75]. Trong kiến trúc “vô tuyến đơn”, cảm nhận phổ chỉ được thực thi trong một khoảng thời gian xác định. Ưu điểm dễ thấy của kiến trúc này là sự đơn giản và giá thành thấp của toàn bộ hệ thống. Trong kiến trúc “vô tuyến kép”, một thiết bị riêng giữ nhiệm vụ thu phát, trong khi thiết bị thu thứ hai thực hiện nhiệm vụ cảm nhận phổ một cách liên tục, cho phép đánh giá tài nguyên không gian phổ một cách chính xác cũng như tận dụng tối đa cơ hội sử dụng phổ. Có rất nhiều các nền tảng phần cứng và phần mềm cho hệ thống CR đã được công bố, trong đó có thể kể đến GNU Radio [11], Universal Software Radio Peripheral (USRP) [24], Shared Spectrum XG Radio [57], FPGA [81], [4],…
1.2.4 Bài toán PU ẩn
Bài toán PU ẩn xảy ra do rất nhiều nguyên nhân khác nhau như suy hao tín hiệu, pha-đing đa đường, che khuất,… và kết quả là SU không phát hiện
được sự tồn tại của PU, dẫn đến gây nhiễu đến sự hoạt động của PU. Một trong các giải pháp để vượt qua vấn đề này là áp dụng các cơ chế cảm nhận hợp tác giữa các SU để cập nhật các thông tin đầy đủ về sự hiện diện của PU [26], [27], [8].
1.2.5 Thời gian và tần suất cảm nhận
Thời gian và tần suất cảm nhận phổ là một tham số quan trọng. PU có thể đòi hỏi quyền sử dụng băng tần bất cứ khi nào nó cần, và nhiệm vụ của SU là phải nhanh chóng trao trả lại tài nguyên phổ cho PU. Để tránh gây nhiễu tới PU, SU phải phát hiện sự hiện diện của PU nhanh nhất có thể và giải phóng kênh đang chiếm dụng, điều này đặt ra bài toán cho SU với các tham số về tốc độ và độ chính xác cảm nhận phổ PU [43]. Các tham số về thời gian bao gồm thời gian phát hiện kênh, thời gian chuyển kênh,… cũng là các tham số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng hoạt động của SU [18].
Một kênh đang được sử dụng bởi SU thì sẽ không thể thực hiện cho thao tác cảm nhận. Bởi vậy, SU sẽ phải tạm ngắt hoạt động phát của nó để thực hiện cảm nhận [43]. Để vượt qua trở ngại này, một phương thức gọi là “Nhảy tần động” được trình bày trong [34], trong đó SU sử dụng đồng thời nhiều kênh, gồm kênh làm việc và kênh cảm nhận. SU sẽ thực hiện các thao tác phát xạ và cảm nhận song song, và sẽ di chuyển qua lại giữa các kênh xác định.
Các yêu cầu về độ nhạy cao đối với CR tạo bởi những sự mất cân bằng về kênh khác nhau và các vấn đề về việc phát hiện nguồn công suất thấp trong CR có thể được cải thiện nếu như nhiều người dùng CR hợp tác trong việc cảm nhận kênh. Mô hình này còn được gọi là cảm nhận đa sensor hay cảm nhận hợp tác.
Trong trường hợp cảm nhận hợp tác, bài toán chia sẻ thông tin từ các CR với nhau và việc tổng hợp kết quả từ nhiều nguồn đo đạc khác nhau cũng là một nhiệm vụ đầy thách thức. Các thông tin chia sẻ giữa các CR được phân
loại dưới dạng các thông tin mềm hoặc các quyết định cứng từ mỗi thiết bị CR [89]. Các kết quả mô tả trong [89], [94] cho thấy kết hợp thông tin mềm có ưu điểm nội trội so với kết hợp thông tin cứng ở khía cạnh xác suất trượt. Ngược lại quyết định cứng thể hiện rõ ưu điểm khi số lượng các CR trong mạng là lớn [58].
Trong nhiều trường hợp, những yêu cầu về chất lượng dịch vụ từ PU là một yếu tố quan trọng, và cũng được coi như tham số đầu vào để SU xác lập chế độ làm việc. Phương pháp chia sẻ phổ “lai” (hybrid) cho CRN được đưa ra trong [86]. Ở đó, tùy thuộc vào mức độ yêu cầu về chất lượng dịch vụ từ PU, SU cần quyết định có thể hoạt động theo chế độ underlay hoặc phải chuyển sang chế độ overlay để tránh gây nhiễu cho PU. Hiệu năng hoạt động của các hệ thống chia sẻ phổ single-carrier với vấn đề chọn lựa hướng chuyển tiếp được nghiên cứu trong [50]. Mô hình cảm nhận phổ hợp tác mô phỏng bằng FPGA được mô tả trong [2].
Cảm nhận phổ có thể được thực hiện bởi mỗi thiết bị CR một cách độc lập mà không quan tâm, hay không có thông tin trao đổi với các CR khác trong mạng. Cơ chế cảm nhận này gọi là cảm nhận phổđơn sensor.
Nội dung nghiên cứu của luận án được giới hạn ở phạm vi bộ cảm nhận phổđơn sensor, các mô hình cấu trúc phần cứng và thuật toán phần mềm cảm nhận phổđơn sensor sẽ được nghiên cứu sâu ở phần tiếp theo.
1.3 Các thuật toán cảm nhận phổđơn sensor
Khả năng cảm nhận phổ của CR dựa rất nhiều vào các kỹ thuật xử lý tín hiệu. Trong mô hình hoạt động của CRN, CR là một thiết bị thông tin liên lạc cần thu giữ được bức tranh sử dụng tài nguyên phổ tần hiện tại trước khi thiết lập thông tin liên lạc của bản thân nó. Hành vi này được xem như việc “phát hiện băng trống”, được mô tả như Hình 1.5.
Hình 1.5. Kiến trúc bộ phát hiện băng trống
Tín hiệu Y(t) thu tại anten đầu tiên sẽ được lọc để lấy tín hiệu có băng thông BL, sau đó được chuyển xuống băng gốc và số hóa trước khi được gửi đến bộ phát hiện. Cuối cùng, dựa trên một thuật toán phát hiện, quyết định sẽ được đưa ra khẳng định băng tần đang trống hay đã bị chiếm dụng. Trong trường hợp đơn giản nhất, giá trị đầu vào bộ phát hiện được so sánh với một mức ngưỡng xác định trước. Kiến trúc như Hình 1.5 mô tả mô hình thực thi chung nhất. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, bộ phát hiện lấy trực tiếp tín hiệu tương tự từ đầu vào, có thể ở băng gốc, cao tần (RF) hoặc trung tần (IF). Ở đây, coi băng là trống nếu tín hiệu thu được ở băng này chỉ là tạp âm. Ngược lại, nếu tạp âm và tín hiệu được phát hiện, băng tần được coi là đang bị chiếm.
Phụ thuộc vào mức độ “hiểu biết” của thiết bị CR về các tín hiệu thông tin liên lạc được truyền qua BL, nhiều kỹ thuật phát hiện có thể được sử dụng. Trong đó các kỹ thuật phổ biến là: (1) Bộ lọc phối hợp, (2) phát hiện thuộc tính dừng vòng (Cyclostationary), và (3) phát hiện năng lượng (Energy Detection - ED). Các kỹ thuật khác ít được nghiên cứu hơn hoặc được coi như dẫn suất của các kỹ thuật trên bao gồm: phát hiện nối tiếp, đa phân giải song song, wavelet...
1.3.1 Bộ lọc phối hợp
Sử dụng bộ lọc phối hợp là giải pháp tối ưu để phát hiện tín hiệu với sự có mặt của tạp âm [68], bởi vì thuật toán có thể phát hiện được tín hiệu trong kênh có tỉ số tín/tạp (SNR) nhỏ nhất (so với các bộ phát hiện khác). Đây là một phương thức phát hiện có độ tin cậy cao, tuy nhiên cần phải giải điều chế tín hiệu, điều này đồng nghĩa là CR cần phải có một hiểu biết trước đó đối với tín hiệu thu về các tham số như: bậc và kiểu điều chế, bộ lọc dạng xung, khuôn dạng khung dữ liệu,v.v.. Như vậy, bộ lọc phối hợp có lợi thế là chỉ cần một tập mẫu tín hiệu nhỏ với độ phức tạp tính toán 1/SNR để có thể đạt được kết quả phát hiện với một xác suất phát hiện cao [10]. Số mẫu cần có cho phát hiện tối ưu là [45]: N = [Q-1(Pd )– Q-1( Pfa)]2 ( SNR)-1 = O(SNR)-1 trong đó: Pd
là xác suất phát hiện, Pfa là xác suất cảnh báo lầm, Q-1 là hàm Q nghịch đảo. Lợi thế của việc sử dụng bộ lọc phối hợp là cần ít thời gian hơn so với các phương pháp khác mà vẫn có thể đạt được hiệu quả phát hiện tốt khi chỉ cần O(SNR)-1 mẫu là đủ để đạt được kết luận với ràng buộc theo một xác suất phát hiện cho trước. Tuy nhiên nhược điểm của bộ lọc phối hợp là CR cần phải có một bộ thu dành riêng cho mỗi kiểu tín hiệu phải phát hiện. Vì vậy trong trường hợp có rất nhiều dạng sóng cần phải được phát hiện, phương pháp này thường không khả thi.
1.3.2 Phát hiện dừng vòng
Trong thực tế, các tín hiệu thông tin liên lạc được điều chế bằng các sóng mang hình sin, các chuỗi xung, các chuỗi trải phổ lặp lại, các chuỗi nhảy tần