NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn
Nguyễn Xuân Tùng
MỤC LỤC
1.1.GIỚI THIỆU CHƯƠNG 5
1.2.TÌM HIỂU “VÔ TUYẾN NHẬN THỨC” 5
1.3.ĐẶC ĐIỂM CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC [7, tr. 2129- 2131]
6
1.4.1.Cảm biến phổ 8
a. Cảm biến phát hiện máy phát (phát hiện không hợp tác) 9
b. Cảm biến theo cơ chế hợp tác 11
c. Cảm biến dựa trên nhiễu 11
1.4.2.Quản lý phổ 13
a. Phân tích phổ 13
b. Quyết định phổ 14
1.4.3.Dịch chuyển phổ 15
1.4.4.Chia sẻ phổ 15
1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 17
2.5.1. Cấu trúc vật lí của mạng Vô tuyến nhận thức [ 7, tr.2130- 2131] 38
2.5.3. Mô hình tổng thể của mạng vô tuyến nhận thức [7] 44
Hình 2.14. Mô hình kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức 44
2.6. HOẠT ĐỘNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC [7] 46
2.6.1.Trên băng tần được cấp phép 46
Hình 2.15. Mạng Vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng tần cấp phép
47
2.6.2. Trên băng tần không được cấp phép 47
Hình 2.16. Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng không cấp phép
48

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết
tắt
Tên Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt
ADC Analog - Digital Convertor Chuyển đổi tương tự - số
AGC Auto Gain Control Điều khiển độ lợi tự động
BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit
BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát sóng di động
BS Base Station Trạm gốc
CDMA Code Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo mã
CR Cogtive Radio Vô tuyến nhận thức
CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh
DDC Digital -Analog Convertor Chuyển đổi số - tương tự
DFS Direct Digital Control Điều khiển số trực tiếp
DSA Dynamic Frequency
Selection
Lựa chọn tần số động
DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số
DUC Dynamic Spectrum Access Truy cập phổ tần động
DVB-T Digital Video Broadcasting
– Terrestrial
Mạng truyền hình quảng bá vô
tuyến số mặt đất
FCC Federal Communications
Commission
Ủy ban truyền thông liên ban
FDMA Frequency Division
Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo tần
số
FPGA Field programmable Gate
Array
Mảng cổng lập trình được dạng
trường.
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
GSM Global System for Mobile
Communications
Hệ thống thông tin di động toàn
cầu
IP Internet Protocol Giao thức Internet
IPD Incumbent Profile Detection Cảm biến môi trường
LMS Least Mean Square Bình phương trung bình tối
thiểu
LNA Low Noise Amplified Bộ khuếch đại nhiễu thấp
LOS Line of Sight Tầm nhìn thẳng
MAC Medium Access Control Điều khiển truy cập môi trường
MAP Maximum a Posteriori Cực đại hóa xác suất hậu
nghiệm
ML Maximum Llkelihood Tương đồng cực đại
OFDMA Orthogonal Frequency
Division Multiple Access
Đa truy cập phân chia theo tần
số trực giao
P2P Peer to Peer Mạng ngan hàng
PLL Phase-Locked Loop Vòng khóa pha
PU Primary User Người dùng chính
QoS
Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
RX Receiver Máy thu
SDMA Space Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo
không gian
SDR Software Difined Radio Vô tuyến định nghĩa bằng phần
mềm
SMR Specialised Mobile Radio Hệ thống thông tin di động đặc
biệt
SNR Signal – to - Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
SU Secondary User Người dùng phụ
TDMA Time Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo thời
gian
TPC Transmit Power Control điều khiển công suất phát
TX Transmitter Máy phát
UWB Ultra Wideband Di động siêu băng rộng
VCO Vol Cotrol OSC Bộ dao động điều khiển bằng
điện áp
WIFI Wireless Fidelity Mạng không dây sử dụng sóng
vô tuyến
WiMAX Worldwide Interoperability
for Microwave Access
Truy cập internet băng thông
rộng không dây ở khoảng cách
lớn.
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu Tên hình Trang

hình
1.1. Minh họa hố phổ 8
1.2. Chu trình nhận thức 8
1.3. Phân loại các kỹ thuật cảm biến phổ 9
1.4. Mô hình nhiễu nhiệt 12
1.5. Quá trình dịch chuyển phổ 15
2.1. Cấu trúc của tín hiệu 19
2.2. Ước lượng kênh cho quá trình thu nhận 20
2.3. Ước lượng kênh cho quá trình theo dõi 20
2.4. Cấu trúc một SDR với các thành phần chủ yếu 24
2.5.
Ảnh hưởng của hiện tượng Fading đến đường truyền
vô tuyến
29
2.6.
Minh họa mối quan hệ của SDR với mạng vô tuyến
nhận thức
33
2.7. Sự tương tác lẫn nhau của Vô tuyến nhận thức và SDR 33
2.8.
Sự khác nhau giữa mạng vô tuyến truyền thống và
mạng vô tuyến nhận thức
35
2.9. Mô hình vô tuyến nhận thức điển hình trên cơ sở SDR 36
2.10. Kiến trúc vật lý của mạng vô tuyến nhận thức 39
2.11. Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức 42
2.12.
Minh họa sự ảnh hưởng của phạm vi truyền dẫn của
người dùng chính và người dùng phụ
42

2.13 Sơ đồ khối các nút trong mạng vô tuyến nhận thức 43
2.14. Mô hình kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức 44
2.15.
Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng tần cấp
phép
47
2.16.
Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng tần
không cấp phép
48
3.1.a. Phân bổ tài nguyên vô tuyến cố định 50
3.1.b. Phân bổ tài nguyên vô tuyến động 50
3.2.
Dạng phân bố lưu lượng thay đổi theo thời gian của
dịch vụ DVB-T và UMTS
52
3.3.
Phân bố tài nguyên sóng mang cho các mạng truy cập
vô tuyến
53
3.4.
Ảnh hưởng của khoảng truy cập phổ tần động DSA
lên hiệu năng của hệ thống
54
3.5. Ảnh hưởng của tương quan mẫu lưu lượng 55
3.6.
Ảnh hưởng của khoảng DSA đến thuật toán dự đoán
tải không hoàn hảo
56
3.7.

Mô hình truyền dẫn của mạng vô tuyến nhận thức
(1x1)
59
3.8. Mô hình khoảng cách của mạng chính và mạng phụ 61
4.1 Kết quả mô phỏng BER theo SNR cho thuật toán ML 66
4.2.
Kết quả mô phỏng BER theo SNR cho thuật toán MAP
67
4.3.
Kết quả mô phỏng BER theo gama cho thuật toán ML
68
4.4.
Kết quả mô phỏng BER theo gama so sánh thuật toán
ML và MAP
69
4.5.
Kết quả mô phỏng BER theo SNR so sánh thuật toán
ML và MAP
70
4.6.
Kết quả mô phỏng BER theo SNR cho thuật toán ML
71
4.7.
Kết quả mô phỏng BER theo SNR cho thuật toán MAP
72
4.8.
Kết quả mô phỏng BER theo anpha so sánh thuật toán
ML và MAP
73

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin của con
người ngày càng tăng nhanh. Trong đó, thông tin di động đang đóng một vai
trò rất lớn do tính mềm dẻo và linh hoạt của nó. Vì vậy, nhu cầu sử dụng hệ
thống thông tin di động cũng như chiếm dụng tài nguyên vô tuyến ngày càng
cao [13]. Nhưng do đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến là tài nguyên hạn chế,
chất lượng phụ thuộc nhiều vào môi trường: địa hình, thời tiết dẫn đến làm
hạn chế triển khai đáp ứng nhu cầu của xã hội, của các nhà công nghiệp và
dịch vụ viễn thông. Đây chính là những thách thức cho các nhà khoa học
trong ngành. Chẳng hạn khi nói đến vấn đề tài nguyên vô tuyến, chúng được
giải quyết bằng các giải pháp kỹ thuật, công nghệ như: FDMA, TDMA,
SDMA, CDMA, sự kết hợp giữa chúng đã tìm mọi cách để khai thác triệt để
tài nguyên ở dạng thời gian, tần số, không gian, mã. Các công nghệ thích ứng,
cấp phát tài nguyên động, cơ chế điều khiển luồng, công nghệ IP, máy thu
phát thông minh, là những minh họa điển hình cho vấn đề này[8].
Các mạng thông tin vô tuyến hiện tại đang ứng dụng nhiều công nghệ
hiện đại để tối ưu chất lượng dịch vụ cũng như khai thác một cách hiệu quả
băng tần được cấp phép. Tuy nhiên, phổ tần của các mạng vô tuyến hiện nay
vẫn chưa được khai thác một cách triệt để. Thực tế cũng đã có rất nhiều giải
pháp được đưa ra để thực hiện vấn đề này. Trong đó mạng vô tuyến nhận thức
(Cognitive radio) cũng là một trong những giải pháp mới nhất nhằm khai thác
triệt để phổ tần đang còn bị lãng phí. Những năm gần đây trên thế giới đã có
nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực này.[1],[14]
Hệ thống Vô tuyến nhận thức 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
1
trường hoạt động. Theo đó, thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDR
(Software Defined Radio) sẽ là một phần tử quan trọng trong hệ thống vô
tuyến nhận thức[10]. Vì các tham số của thiết bị SDR được thay đổi một cách

linh động bằng phần mềm mà không cần phải thay đổi cấu trúc phần cứng.
Mục đích của 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. Để cho phép tận
dụng tối đa tài nguyên phổ tần như trên, vô tuyến nhận thức phải có những
tính năng cơ bản như sau:[10],[16]
- Điều chỉnh tần số hoạt động của hệ thống một cách hợp lý từ một băng
tần này đến một băng tần khác (còn trống) trên dải tần cho phép.
- Thiết lập mạng thông tin và hoạt động trên một phần hoặc toàn bộ băng
tần được cấp phát.
- Chia sẻ kênh tần số và điều khiển công suất thích ứng theo điều kiện cụ
thể của môi trường vô tuyến, mà ở đó tồn tại nhiều loại hình dịch vụ vô tuyến
cùng chiếm dụng.
- Thực hiện thích ứng độ rộng băng tần, tốc độ truyền và các sơ đồ mã
hoá sửa lỗi để cho phép đạt được thông lượng tốt nhất có thể.
- Tạo búp sóng và điều khiển búp sóng thích ứng theo đối tượng truyền
thông nhằm giảm thiểu nhiễu đồng kênh và tối đa cường độ tín hiệu thu.
Ước lượng kênh truyền là một trong những chủ đề được quan tâm trong
hệ thống thông tin vô tuyến. Việc ước lượng kênh truyền trong các mạng viễn
thông hiện nay (các đề tài luận văn trước đã làm) đa số nghiên cứu trên dải
tần số cố định cho các người dùng. Còn đề tài thì tập trung nghiên cứu kỹ
thuật ước lượng kênh truyền trong mạng vô tuyến nhận thức. Nghĩa là ước
lượng kênh trong điều kiện dải tần số thay đổi theo thời gian (tùy thuộc vào
các dải tần số rỗi khác nhau tại các thời điểm khác nhau trong mạng chính),
2
và thông tin trạng thái kênh truyền là không hoàn hảo [4],[5]. Hiện nay, vấn
đề này chưa được nghiên cứu nhiều trong hệ thống thông tin vô tuyến nhận
thức. Khi mà thông tin đặc tính kênh truyền không hoàn hảo thì ước lượng
kênh càng trở nên khó khăn. Nhận thấy ước lượng kênh trong mạng này còn
là chủ đề mới nên tác giả đã chọn đề tài “NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC

LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC” để
nghiên cứu.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Luận văn được thực hiện với mục đích nghiên cứu kỹ thuật ước lượng
kênh truyền cho hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu :
Tập trung chính vào đối tượng nghiên cứu là kỹ thuật ước lượng kênh
truyền cho hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức:
- Tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức
- Mô hình, kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức
- Kỹ thuật ước lượng kênh truyền cho mạng vô tuyến nhận thức
4. Phương pháp nghiên cứu:
- Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài
- Nghiên cứu kỹ thuật ước lượng kênh truyền, xây dựng thuật
toán và chương trình mô phỏng trên Matlab.
5. Bố cục đề tài
Luận văn dự kiến gồm các phần chính sau đây:
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức
Chương 2. Mô hình hệ thống của mạng vô tuyến nhận thức
Chương 3. Kỹ thuật ước lượng kênh truyền trong mạng vô tuyến nhận
thức
3
Chương 4. Kết quả mô phỏng
Kết luận và hướng phát triển
Tài liệu tham khảo
Phụ lục
6. Tổng quan về tài liệu nghiên cứu
Tài liệu nghiên cứu làm luận văn được tác giả tổng hợp từ các bài báo,
sách, các công trình nghiên cứu bằng tiếng Anh trên mạng Internet.

4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC
1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Vô tuyến nhận thức không chỉ là một công nghệ mới, mà nó còn là
một sự

thay đổi mang tính cách mạng trong việc sử dụng phổ tần vô
tuyến. Công nghệ vô tuyến nhận thức được thiết kế nhằm nâng cao hiệu
quả sử dụng phổ tần, các người

dùng phụ có khả năng sử dụng phổ chia
sẻ mà không gây nhiễu tới các người

dùng chính được cấp phép. Vô
tuyến nhận thức cho phép đầu cuối có thể cảm biến, hiểu

biết và sử dụng
một cách linh hoạt phổ tần sẵn có tại một thời điểm nhất định. Chương
này sẽ đề cập một cách tổng quan nhất về công nghệ vô tuyến nhận thức,
các đặc điểm và chu trình nhận thức của mạng vô tuyến nhận thức.
1.2. TÌM HIỂU “VÔ TUYẾN NHẬN THỨC”
Trong khảo sát về vô tuyến nhận thức, Simon

Haykin đã khái
quát về vô tuyến nhận thức như sau: Vô tuyến nhận thức là một hệ
thống truyền thông vô tuyến thông minh có khả năng nhận thức về môi
trường xung

quanh từ đó tự huấn luyện để thích nghi với sự thay đổi của

môi trường bằng cách thay

đổi các tham số hoạt động cụ thể (ví dụ công
suất phát, tần số sóng mang, phương

thức điều chế) trong thời gian thực,
với hai đặc tính chính: [11,tr. 12]
- Truyền thông độ tin cậy cao tại mọi thời điểm
- Sử dụng hiệu quả phổ tần số vô tuyến .
Vô tuyến nhận thức hiện nay nổi lên như một công nghệ đầy hứa hẹn
để tối đa hóa việc sử dụng băng thông vô tuyến đang ngày càng bị hạn chế
trong khi số lượng ngày càng tăng của dịch vụ và các ứng dụng trong các
5
mạng vô tuyến. Một mạng vô tuyến nhận thức (CR) thu - phát có khả năng
thích ứng với môi trường hoạt động và các thông số vô tuyến có nhiệm vụ
làm tối đa hóa việc sử dụng các nguồn tài nguyên vô tuyến hạn chế trong khi
cung cấp sự linh hoạt trong truy cập vô tuyến . [3]
Mục đích của mạng vô tuyến nhận thức là sử dụng hiệu quả tài nguyên
bao gồm tần số, thời gian và công suất truyền tải. Hiệu quả trong việc sử
dụng quang phổ đang đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong các hệ
thống truyền thông vô tuyến trong tương lai vì sẽ có nhiều người dùng với
các dịch vụ cao. Công nghệ vô tuyến nhận thức có thể được sử dụng trong
các hệ thống có mức ưu tiên thấp hơn để cải thiện hiệu quả quang phổ bằng
cách cảm nhận môi trường phổ và sau đó phát hiện các khoảng phổ còn
trống để cấp phép sử dụng. Tần số không sử dụng có thể được coi như một
hố phổ tần số mà từ đó có thể được giao cho người sử dụng phụ (SU). Sự
liên kết trong việc sử dụng phổ vô tuyến là một trường hợp đặc biệt của
mạng vô tuyến nhận thức. Ngoài ra, kỹ thuật Vô tuyến nhận thức có thể
được sử dụng trong mạng lưới được cấp phép để nâng cao hiệu quả sử dụng
phổ tần. [11,tr. 13]

1.3. ĐẶC ĐIỂM CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC [7, tr. 2129-
2131]
Dựa vào một số phân tích ở trên ta nhận thấy mạng Vô tuyến nhận
thức có các

đặc điểm cơ bản như sau:
Khả năng nhận thức: Khả năng nhận thức là khả năng mà công nghệ
vô

tuyến nắm bắt hoặc cảm biến được các thông tin từ môi trường vô tuyến.
Khả năng

này không chỉ đơn giản là thực hiện giám sát công suất trong một
số băng tần

số quan tâm mà còn yêu cầu nhiều công nghệ phức tạp để nắm
bắt sự biến đổi

của môi trường vô tuyến theo không gian và theo thời gian,
6
nhằm tránh gây nhiễu

ảnh hưởng tới những người dùng chính. Thông qua
khả năng này, các phần phổ

không sử dụng tại một thời điểm hoặc vị trí nhất
định có thể được xác định. Từ

đó, nó có thể lựa chọn được phổ tốt nhất với
các thông số hoạt động phù hợp

nhất để sử dụng.
Tính tự cấu hình: Tính tự cấu hình cho phép mạng vô tuyến có khả
năng lập trình tự

động theo sự thay đổi của môi trường vô tuyến. Đặc biệt,
Vô tuyến nhận thức có thể được lập trình để truyền và nhận thông tin trên các
tần số khác nhau và để sử dụng

các công nghệ truy cập truyền dẫn khác nhau
được phần cứng hỗ trợ. Một số

thông số tự cấu hình cần chú ý là: Tần số
hoạt động, điều chế, công suất phát,

công nghệ truyền.
Mục tiêu cơ bản của vô tuyến nhận thức là tận dụng được phổ tần có
sẵn tốt

nhất thông qua khả nhận thức và tính tự cấu hình. Vì hầu hết phổ tần
đã được

cấp phép, nên thách thức quan trọng nhất là sử dụng chia sẻ phổ
tần được cấp phép mà

không gây nhiễu tới quá trình truyền dẫn của những
người dùng chính được cấp phép khác.

Vô tuyến nhận thức cho phép sử
dụng những vùng phổ trống theo từng thời điểm, phổ này ám chỉ hố phổ

hay khoảng trắng (Hình 1.1). Nếu băng phổ này được

người dùng chính
(người dùng cấp phép) sử dụng tiếp thì các người dùng vô tuyến nhận thức
phải chuyển đến hố phổ khác hoặc nếu vẫn ở trong cùng một băng tần thì phải
thay đổi mức công suất phát hoặc sơ đồ điều chế để tránh gây nhiễu đến
người dùng chính.
7
Hình 1.1. Minh họa hố
phổ
1.4. CHU TRÌNH NHẬN THỨC [7, Tr. 2132- 2141]
Hoạt động của vô tuyến nhận thức có thể được mô tả theo một chu
trình

nhận thức như hình 1.2 dưới đây.
Hình 1.2. Chu trình nhận thức
Chu trình nhận thức bao gồm các nhiệm vụ chính:
1.4.1. Cảm biến phổ
Một trong những yêu cầu chính của mạng vô tuyến nhận thức là khả năng
quét các dải quang phổ và xác định các kênh truyền còn trống có sẵn để sử dụng.
8
Vô tuyến nhận thức giám sát các băng phổ sẵn có, nắm bắt các

thông tin của
chúng và sau đó phát hiện ra các hố phổ.
Như đã được đề cập, vô tuyến nhận thức được thiết kế để có thể hiểu
biết và

nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường xung quanh. Chức năng
cảm biến phổ cho

phép vô tuyến nhận thức thích ứng với môi trường xung
quanh bởi việc phát hiện

các hố phổ.
Cách hiệu quả nhất để phát hiện các hố phổ là phát hiện các người
dùng chính

đang truyền nhận dữ liệu trong vùng hoạt động của nó. Tuy
nhiên, trên thực tế rất khó

cho một mạng vô tuyến nhận thức để có thể đo
trực tiếp các thông số kênh đang sử

dụng giữa máy phát và máy thu của
người dùng chính. Do vậy, phương pháp khả thi đầu

tiên là tập trung vào
việc phát hiện máy phát chính dựa trên các quan sát cục bộ của

các người
dùng vô tuyến nhận thức.
Nói chung, các kỹ thuật cảm biến phổ có thể được phân loại thành:
cảm biến phát hiện

máy phát, cảm biến theo cơ chế hớp tác và cảm biến phát
hiện dựa trên nhiễu đã được chỉ ra trên hình 1.4.
Hình 1.3. Phân loại các kỹ thuật cảm biến phổ.
a. Cảm biến phát hiện máy phát (phát hiện không hợp tác)
Vô tuyến nhận thức phải phân biệt giữa các băng tần chưa sử dụng và

9
các

băng tần đã được sử dụng. Bởi vậy, vô tuyến nhận thức cần có khả năng
xác định

xem tín hiệu từ máy phát người dùng chính có đang tồn tại trong
một băng tần cụ thể

hay không. Phương pháp phát hiện máy phát là dựa trên
việc phát hiện tín hiệu từ

một máy phát chính thông qua các quan sát cục bộ
của các người dùng vô tuyến thông

minh.
* Cảm biến dựa trên bộ lọc kết hợp
Khi đã biết được thông tin tín hiệu người dùng chính, thì phương pháp
phát hiện

tốt nhất trong môi trường nhiễu Gauss không đổi là bộ lọc kết hợp
vì nó cho tỷ số tín

hiệu trên nhiễu (SNR) tối đa. Trong khi ưu điểm chính của
bộ lọc kết hợp là yêu cầu ít

thời gian để đạt được độ lợi xử lý cao, thì nó đòi
hỏi phải biết trước thông tin về tín

hiệu người dùng chính chẳng hạn như

phương thức điều chế, dạng xung, và khuôn

dạng gói. Bởi vậy, nếu các
thông tin này không chính xác thì bộ lọc kết hợp tỏ ra

không hiệu quả.
* Cảm biến dựa mức năng lượng của tín hiệu thu
Nếu máy thu không thể có được đủ thông tin hữu ích về tín hiệu
người dùng

chính, chẳng hạn nếu máy thu chỉ biết được công suất của nhiễu
Gauss ngẫu nhiên, thì

cách phát hiện tốt nhất trong trường hợp này là phát
hiện dựa trên mức năng lượng. Để đo

năng lượng của tín hiệu đã nhận
được, tín hiệu đầu ra của bộ lọc thông dải với băng

thông W được bình
phương và tích phân qua khoảng thời gian quan sát T. Cuối cùng,

đầu ra của
bộ kết hợp được so sánh với một ngưỡng để quyết định xem có người dùng
chính hay không.
Hiệu quả của việc phát hiện mức năng lượng dễ bị ảnh hưởng bởi sự
thay đổi của công

suất nhiễu. Để giải quyết vấn đề này, một kênh hoa tiêu
từ máy phát chính được sử

dụng để cải thiện độ chính xác của bộ phát hiện
dựa trên năng lượng. Một thiếu sót

nữa là bộ cảm biến chỉ dựa trên mức
10
năng lượng thì không thể phân biệt các loại tín hiệu mà chỉ

có thể xác định
sự có mặt của chúng.
* Cảm biến dựa trên đặc tính dừng
Một phương pháp phát hiện khác là phát hiện dựa trên đặc tính dừng.
Các tín

hiệu đã điều chế thông thường được kết hợp với các sóng mang
hình sin, các chuỗi

xung, trải phổ lặp, nhảy tần, hoặc các tiền tố vòng.
Những tín hiệu đã điều chế này

được mô tả như có tính dừng vì trung bình
và tự tương quan của chúng tuần hoàn theo

chu kỳ. Những đặc tính này
được phát hiện nhờ phân tích hàm tương quan phổ. Ưu

điểm chính của hàm
tương quan phổ là nó phân biệt năng lượng nhiễu với năng lượng

tín hiệu đã

điều chế. Bởi vậy bộ phát hiện đặc tính vòng tĩnh có thể hoạt động tốt hơn
bộ phát hiện năng lượng vì nó có thể tách được nhiễu ra tốt hơn bộ phát hiện
dựa trên

năng lượng. Tuy nhiên, nó yêu cầu tính toán phức tạp và thời gian
quan sát sẽ dài hơn

đáng kể.
b. Cảm biến theo cơ chế hợp tác
Phát hiện theo cơ chế hợp tác là phương pháp cảm nhận phổ tần mà
thông tin từ

nhiều người dùng vô tuyến nhận thức được liên kết lại để phát
hiện người dùng chính. Phát hiện hợp tác có thể được thực hiện theo cả
phương án tập trung hay phân

tán. Trong phương án tập trung, trạm gốc đóng
vai trò để thu thập toàn bộ thông tin từ

các người dùng vô tuyến thông minh
và phát hiện các hố phổ. Còn theo phương án

phân tán, nó yêu cầu trao đổi
các thông tin quan sát giữa các người dùng trong mạng

với nhau.
Phương pháp này cung cấp hiệu năng cảm biến chính xác hơn, tuy nhiên
nó tạo

ra các ảnh hưởng bất lợi trong các mạng hạn chế tài nguyên do các

hoạt động bổ xung

và các lưu lượng đầu.
c. Cảm biến dựa trên nhiễu
11
Gần đây một mô hình đo nhiễu mới đã được FCC giới thiệu, gọi là
phương

pháp nhiễu nhiệt được chỉ ra trên hình 1.4.
Hình 1.4. Mô hình nhiễu nhiệt
Mô hình này chỉ ra tín hiệu của một trạm vô tuyến được thiết kế để
hoạt động

trong một dải mà tại đó công suất thu gần với mức nhiễu nền. Khi
xuất hiện tín hiệu gồm

cả nhiễu thì nhiễu nền tăng lên tại các điểm khác
nhau trong vùng dịch vụ, như chỉ ra

bởi các đỉnh phía trên của nhiễu nền ban
đầu. Trong mô hình nhiễu nhiệt các thuê bao

vô tuyến nhận thức được coi là
các thuê bao có quyền ưu tiên hơn, các thuê bao khác

và can nhiễu chỉ như là
một nguồn nhiễu. Nguồn nhiễu đó sẽ giới hạn dung lượng của

hệ thống trên
từng băng tần cụ thể từ đó hệ thống vô tuyến nhận thức sẽ quyết định

truyền
hay không.
Tuy nhiên vẫn có một số giới hạn trong việc đo đạc nhiễu. Phương
pháp

này xem xét các nhân tố như phương pháp điều chế tín hiệu không
cấp phép, các

anten, khả năng phát hiện các kênh cấp phép tích cực, điều
khiển công suất và mức độ

hoạt động của các người dùng chính và người
dùng vô tuyến nhận thức. Tuy nhiên

mô hình này không xem xét ảnh hưởng
12
của nhiều người dùng. Hơn nữa, nếu người dùng không có thông tin về vị
trí người dùng chính thì nhiễu không thể đo đạc

được bằng phương pháp
này.
1.4.2. Quản lý phổ
Trong mạng vô tuyến nhận thức, các băng tần phổ chưa sử dụng sẽ
được trải

ra trên một vùng tần số rộng bao gồm cả băng tần cấp phép và
không cấp phép. Các

băng tần phổ chưa sử dụng này được phát hiện thông

qua cảm biến phổ cho thấy các

đặc điểm khác nhau không chỉ thay đổi theo
thời gian mà còn theo các thông tin băng

tần phổ như tần số và băng thông
hoạt động.
Vì mạng vô tuyến nhận thức phải quyết định được băng tần phổ tốt
nhất để

đáp ứng các yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) trên toàn bộ các
băng tần có sẵn, nên các chức năng quản

lý phổ mới được yêu cầu để xem xét
các đặc điểm phổ động.
* Quản lý phổ bao gồm có hai nhiệm vụ chính:
a. Phân tích phổ
Trong mạng vô tuyến nhận thức các hố phổ có sẵn cho thấy các đặc tính
khác

nhau của phổ biến đổi theo thời gian. Phân tích phổ cho phép phân
loại các băng tần

phổ khác nhau, từ đó có thể lựa chọn được băng tần phù
hợp với yêu cầu của người

dùng. Để thấy được chất lượng của các băng
tần phổ cụ thể cần phải phân tích các

thông số như mức nhiễu, tỷ lệ lỗi

kênh, suy hao đường truyền, lỗi liên kết vô tuyến, trễ

lớp liên kết, và thời
gian nắm giữ.
Nhiễu: các băng tần phổ khác nhau thường có các mức nhiễu khác nhau,
do đó

cần xác định các đặc điểm nhiễu của kênh. Từ mức nhiễu tại máy thu
chính, ta

sẽ suy ra công suất cho phép của người dùng từ đó sử dụng cho
13
việc ước tính

dung lượng kênh.
Suy hao đường truyền: khi tần số hoạt động tăng thì suy hao đường
truyền cũng

tăng. Do đó, nếu công suất phát của người dùng giữ nguyên thì
phạm vi truyền
dẫn
sẽ giảm tại các tần số cao hơn. Nếu ta tăng công suất
phát để bù lại suy hao

đường truyền thì sẽ tăng nhiễu đối với các người dùng
khác.
Lỗi liên kết vô tuyến: dựa vào sơ đồ điều chế và mức nhiễu của băng tần
phổ, tỷ

lệ lỗi của kênh được thay đổi.

Trễ lớp liên kết: để xác định suy hao đường truyền, lỗi liên kết vô
tuyến, và

nhiễu thì yêu cầu các giao thức lớp liên kết dữ liệu là khác nhau tại
các băng tần

khác nhau. Điều này dẫn tới trễ truyền dẫn gói lớp liên kết dữ
liệu khác nhau.
Thời gian chiếm giữ băng tần: các hoạt động của người dùng chính có
thể ảnh hưởng tới

chất lượng kênh trong các mạng vô tuyến nhận thức.
Thời gian nắm giữ là

thời gian mà người dùng Vô tuyến nhận thức chiếm
giữ một băng tần được cấp

phép trước khi bị ngắt. Hiển nhiên là thời gian
nắm giữ càng lâu thì chất lượng

càng tốt. Có thể tăng thời gian nắm giữ bằng
kỹ thuật chuyển giao thống kê.
b. Quyết định phổ
Khi tất cả các băng tần phổ đã sẵn có, thì cần phải lựa chọn được băng
tần phù

hợp nhất với các yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) và các
đặc tính của phổ. Do vậy, quản lý phổ cần

phải biết được các yêu cầu về

QoS của người dùng. Dựa trên đó mà tốc độ dữ liệu, tỷ

lệ lỗi chấp nhận
được, mô hình truyền dẫn và băng tần truyền sẽ được

xác định. Sau đó dựa
vào các quy tắc quyết định mà sẽ chọn lựa các băng tần phù hợp.

Các quy tắc
chọn lựa được đề xuất dựa trên tính công bằng và giá trị truyền thông.
14
1.4.3. Dịch chuyển phổ
Dịch chuyển phổ có thể được định nghĩa là quá trình một người dùng
Vô tuyến nhận thức thay đổi tần số hoạt động của nó. Quá trình này được
gọi là quá trình

chuyển giao phổ.
Trong mạng vô tuyến nhận thức, chuyển giao phổ xảy ra khi các điều
kiện

kênh hiện thời có biểu hiện xấu đi hoặc có sự trở lại của người dùng
chính. Các giao

thức đối với các tầng khác nhau của ngăn xếp mạng phải
phù hợp với các tham số

kênh. Mục đích của việc dịch chuyển phổ trong
Vô tuyến nhận thức là để đảm bảo

quá trình truyền dẫn xảy ra liên tục và

chất lượng.

Hình 1.5 . Quá trình dịch chuyển phổ
1.4.4. Chia sẻ phổ
Trong mạng vô tuyến nhận thức, một trong những thách thức chính
khi sử

dụng phổ tần mở là việc chia sẻ phổ tần. Không giống như cảm biến
phổ liên quan

chính tới lớp vật lý, hay quản lý phổ liên quan tới các dịch vụ
lớp cao hơn, các chức

năng chia sẻ phổ tương tự với các công nghệ phân bổ
15
Thời gian
Tần số
Hố phổ
Phổ mà người dùng chính
đang sử dụng
tài nguyên và đa truy nhập đa

người dùng trong lớp MAC của các hệ thống
truyền thông đang tồn tại. Vấn đề chính

trong việc chia sẻ phổ là sự cùng
tồn tại của các người dùng vô tuyến nhận thức và

các người dùng chính và
quản lý các băng thông không liên tục có sẵn.

Dựa trên các tiêu chuẩn khác nhau, các kỹ thuật chia sẻ phổ có thể
được phân

loại theo nhiều cách khác nhau.
a. Theo cấu trúc mạng: có thể phân thành chia sẻ phổ tập trung và
không tập trung

(phân tán), chia sẻ phổ tập trung nghĩa là toàn bộ các nút
trong mạng gửi thông tin

cảm biến phổ của chúng tới đơn vị điều khiển
trung tâm, sau đó đơn vị điều khiển

trung tâm sẽ thiết lập lược đồ phân bổ
phổ, trong khi đó chia sẻ phổ phân tán nghĩa là

toàn bộ các nút tự quyết định
truy nhập phổ theo cách riêng.
b. Theo cách thức cấp phát phổ tần: có thể phân loại thành chia sẻ
phổ hợp tác và

không hợp tác. Trong chia sẻ phổ hợp tác tại mỗi nút chia sẻ
kết quả cảm biến phổ của

nó với các nút khác, sau đó thuật toán phân bố phổ
sẽ quyết định dựa trên các thông

tin này, ngược lại chia sẻ phổ không hợp tác
có nghĩa là các nút tự nó quyết định chia sẻ

phổ mà không cần các thông tin
về cảm biến phổ.
c. Theo công nghệ truy cập: có thể phân thành chia sẻ phổ overlay và
chia sẻ phổ

underlay. Overlay có nghĩa là người dùng vô tuyến nhận thức
truy nhập mạng thông

qua hố phổ không được sử dụng, thực tế thì là ghép
kênh phân chia theo thời gian giữa các

người dùng vô tuyến nhận thức và
người dùng chính, do đó nhiễu tới người dùng

chính là nhỏ nhất. Underlay
có nghĩa là một người dùng vô tuyến nhận thức có thể

dùng công nghệ trải
phổ như CDMA (đa truy nhập phân chia theo mã) và UWB (di động siêu
băng rộng) để chia sẻ cùng một băng tần với người dùng cấp phép, trong
trường hợp này thì người dùng cấp phép sẽ coi các người dùng phụ như là
16
nhiễu. Hiển nhiên, khi người dùng vô tuyến nhận thức biết toàn bộ thông tin
về hệ

thống cấp phép thì overlay thể hiện tốt hơn underlay, và ngược lại.
1.5.
KẾT LUẬN CHƯƠNG
Sự ra đời và phát triển của mạng vô tuyến nhận thức đã giải quyết được
những hạn

chế trong sử dụng phổ tần hiện nay. Công nghệ truy nhập phổ tần
động cho phép vô tuyến nhận thức hoạt động tốt nhất trong kênh có sẵn.
Trong Chương 1 đã trình bày tổng

quan về công nghệ vô tuyến nhận thức
gồm định nghĩa, các nhiệm vụ chính như: Cảm biến phổ, Phân tích và quyết
định phổ, Chia sẻ phổ và Dịch chuyển phổ.
17