áp dụng kỹ thuật cảm biến phổ vào việc cấp phát tài nguyên cho mạng vô tuyến nhận thức

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHAN GIANG CHÂU

ÁP DỤNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN PHỔ
VÀO VIỆC CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN CHO
MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

S KC 0 0 3 9 7 0

Tp. Hồ Chí Minh, 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
8888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
8888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
8888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888
8888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888
8888888888888888888888888888888888888888888Type equation here.
LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHAN GIANG CHÂU

ÁP DỤNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN PHỔ VÀO
VIỆC CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN CHO
MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270
Hƣớng dẫn khoa học :
PGS.TS. LÊ TIẾN THƢỜNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2013


QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI


LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
 Họ & tên: Phan Giang Châu

Giới tính: Nam

 Ngày, tháng, năm sinh: 20/11/1983

Nơi sinh: Bến tre

 Quê quán: TP. Bến Tre

Dân tộc: Kinh

 Chức vụ, đơn vị công tác trƣớc khi học tập, nghiên cứu: Nhân viên kỹ thuật
 Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 74D ấp 4 Nhơn Thạnh TP. Bến Tre
 Điện thoại cơ quan:

Điện thoại nhà riêng: 0903 334 779

 Fax:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Cao đẳng:
 Hệ đào tạo: Chính quy

E-mail:

Thời gian đào tạo từ …10/2002 đến 5/ 2005

 Nơi học (trƣờng, thành phố): ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM – 01 Võ Văn
Ngân Quận Thủ Đức TPHCM

 Ngành học: Kỹ thuật điện – điện tử
2. Đại học:
 Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 9/2005 đến 8/ 2007

 Nơi học (trƣờng, thành phố): ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM – 01 Võ Văn
Ngân Quận Thủ Đức TPHCM
 Ngành học: Kỹ thuật điện – điện tử
 Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Khảo sát các chuẩn giao tiếp ứng
dụng trong giao tiếp giữa vi điều khiển và máy tính
 Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Bảo vệ tại ĐH Sƣ
Phạm Kỹ Thuật TPHCM – 01 Võ Văn Ngân Quận Thủ Đức TPHCM vào
tháng 7/2007
 Ngƣời hƣớng dẫn: Nguyễn Đình Phú
3. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Tiếng anh (TOEFL 510)
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
2008 – 2010
2010 –
10/2012
2012 - nay

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Công ty CAS

Nhân viên kỹ thuật

Công ty Hoàng Thiên

Nhân viên kỹ thuật

Công ty DC tech

Nhân viên kỹ thuật


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 04 năm 2013

Phan Giang Châu


LỜI CẢM TẠ
Em chân thành bày tỏ lòng kính trọng và cảm ơn chân thành sâu sắc đến
Thầy hƣớng dẫn PGS.TS. Lê Tiến Thƣờng – Khoa Điện – Điện tử trƣờng Đại học
Bách Khoa – ĐHQG TPHCM. Thầy đã tận tình hƣớng dẫn, động viên, giúp đỡ và
tạo điều kiện cho tốt nhất để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình. Những
hƣớng dẫn về mặt khoa học cũng nhƣ kinh nghiệm nghiên cứu khoa học và xã hội
của Thầy đã truyền đạt và chia sẻ cho em sẽ là hành trang quý báu theo em suốt quá
trình học tập và làm việc sau này. Em kính chúc Thầy và gia đình nhiều sức khỏe,
hạnh phúc trong cuộc sống, riêng Thầy sẽ tiến xa hơn nữa trên con đƣờng nghiên
cứu khoa học.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô đang giảng dạy tại Đại
học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM, đặc biệt là quý thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử
đã hết lòng dạy dỗ, truyền đạt kiến thức cũng nhƣ kinh nghiệm cho em. Những kiến
thức nền tảng mà quý thầy cô truyền đạt đã giúp em rất nhiều trong quá trình thực
hiện luận văn.
Con vô cùng biết ơn cha mẹ, những ngƣời đã sinh thành, nuôi dƣỡng, dạy dỗ
con, động viên con trong mỗi bƣớc đi của cuộc đời. Con sẽ luôn ghi nhớ những lời
dạy quý báu của cha mẹ là phải cố gắng học hành nên ngƣời. Trên con đƣờng sau
này, con xin nhớ mãi ơn cha mẹ và kính chúc cha mẹ luôn dồi dào sức khỏe.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến anh chị, bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt
quá trình học tập và thực hiện luận văn. Chúc các anh chị, các bạn nhiều sức khỏe
và thành công trong cuộc sống.
TPHCM, ngày 24 tháng 03 năm 2013
Học viên
Phan Giang Châu


TÓM TẮT
Ngày nay, nhu cầu sử dụng các dịch vụ không dây ngày càng tăng cao và
điều này đã làm cho phổ tần vô tuyến ngày càng trở nên cạn kiệt. Trong khi đó,
phần lớn các mạng không dây hiện nay sử dụng phƣơng pháp cấp phát tài nguyên
phổ là cố định. Đây là phƣơng pháp cấp phát tài nguyên phổ không hiệu quả vì nhu
cầu sử dụng băng thông có đăng ký thay đổi theo thời gian và không gian.
Sự ra đời của mạng vô tuyến nhận thức – Cognitive Radio nhƣ là một cuộc
cách mạng lớn trong truyền thông hiện đại nhằm giải quyết vấn đề về khan hiếm
phổ nhƣ hiện nay. Đây là mạng mà các thông số tuyền hoặc nhận có thể thay đổi để
thực hiện việc truyền thông một cách có hiệu quả nhằm tận dụng các phổ tần rỗi
(hay còn gọi là hố phổ) nhƣng không làm ảnh hƣởng đến ngƣời sử dụng các phổ tần
có đăng ký.
Đề tài này thực hiện việc nghiên cứu, tìm hiểu về các kỹ thuật cảm biến phổ

trong mạng Conitive Radio chẳng hạn nhƣ: cảm biến dựa trên năng lƣợng (energy
detection), cảm biến phổ dùng matched filter (matched filter detection) và cảm biến
đặc tính dựa trên ổn định vòng (cyclostationary feature detection) áp dụng vào việc
cấp phát tài nguyên phổ cho mạng vô tuyến nhận thức. Sau đó, tiến hành mô phỏng
trên Matlab 2012a các giải thuật về cảm biến phổ áp dụng vào việc cấp phát tài
nguyên phổ cho mạng vô tuyến nhận thức. Đồng thời, đề tài cũng tiến hành khảo sát
KIT ARM LM3S2965 và triển khai các giải thuật cảm biến phổ trên KIT ARM
LM3S2965. Ngày nay, các bộ vi xử lý ARM có nhiều ƣu điểm nhƣ: hiệu suất sử
dụng năng lƣợng cao, tốc độ xử lý cao, dễ sử dụng, chi phí thấp… nên ARM đƣợc
sử dụng trong phần lớn các thiết bị di động nên đề tài quyết định chọn ARM để
triển khai các giải thuật cảm biến phổ.



-v-


ABSTRACT
Recently, the increasing demand of wireless services has made the radio
spectrum a very scarce resource. Moreover, most current wireless networks are
characterized by fixed spectrum assignment policies. These are known to be very
inefficient because licensed bandwidth demands are highly varying along the time
and/or space dimensions.
Cognitive Radio originated as a possible solution for the shortage of the
radio spectrum in advanced communication technology. Cognitive Radio provide
the radio nodes with ability to sense the electro-magnetic environment, make shortterm predictions, and react by adapting transmission parameters to take advantage
use of available resources , e.g, spectrum holes with no interference on the licensed
users at all.
This thesis focus on studying spectrum sensing techniques in Cognitive
Radio networks such as: energy detection, matched filter detection and

cyclostationary feature detection used in spectrum allocation. Algorithms to
simulate these techniques were tested by using Matlab 2012a. Finally, this thesis
took a quick look at ARM LM3S2965 KIT and implemented these algorithms of
spectrum sensing techniques in ARM LM3S2965 KIT. This thesis had chosen ARM
LM3S2965 KIT for implementing these technique due to some advantages of ARM
technology, for example, high performance, high-speed proccessing, easy to use,
low cost, etc. ARM technology will be a promising hardware for implementing of
Cognitive Radio in the near future.



- vi -


DẪN NHẬP
Trong chuyên đề 1 đề tài đã tiến hành nghiên cứu tổng quan về mạng vô
tuyến nhận thức, các công trình nghiên cứu đã tiến hành trong và ngoài nƣớc cũng
nhƣ các giải thuật áp dụng cho việc cảm biến phổ trong mạng vô tuyến nhận thức.
Chuyên đề 2 là sự nối tiếp của chuyên đề 1. Chuyên đề 2 tiếp tục nghiên cứu về cơ
sở lý thuyết đặt nền tảng cho sự ra đời của mạng vô tuyến nhận thức, kiến trúc
mạng mạng vô tuyến nhận thức và tiến hành mô phỏng cơ chế cấp phát phổ động
cho ngƣời sử dụng nhận thức trong mạng vô tuyến nhận thức. Tiếp theo nghiên cứu,
mô phỏng các kỹ thuật và giải thuật cảm biến phổ áp dụng cấp phát tài nguyên phổ
cho mạng vô tuyến nhận thức đƣợc thực hiện trong giai đoạn hoàn thành luận văn.
Đồng thời, trong phần hoàn thành luận văn đề tài cũng tiến hành khảo sát KIT ARM
LM3S2965 và triển khai các giải thuật cảm biến phổ đã mô phỏng trong Matlab
2012a trên KIT ARM LM3S2965.



- vii -


MỤC LỤC
Trang tựa

Trang

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ................................................................................... i
LÝ LỊCH KHOA HỌC .............................................................................................. ii
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iii
LỜI CẢM TẠ ............................................................................................................ iv
TÓM TẮT ...................................................................................................................v
DẪN NHẬP ............................................................................................................. vii
MỤC LỤC ............................................................................................................... viii
DANH SÁCH CHÚ GIẢI THUẬT NGỮ TIẾNG ANH ......................................... xi
DANH SÁCH HÌNH................................................................................................. xi
DANH SÁCH BẢNG ............................................................................................. xiv
Chƣơng 1: ....................................................................................................................1
TỔNG QUAN .............................................................................................................1
1.1.

Tổng quan và các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc .........................1

1.2.

Mục tiêu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu ..............................................4

1.3.

Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu ................................................4

1.4.

Phƣơng pháp nghiên cứu ..............................................................................5

Chƣơng 2: ....................................................................................................................6
KIẾN TRÚC MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC ....................................................6
2.1 Hố phổ ...............................................................................................................6
2.2 Vô tuyến đƣợc định nghĩa bằng phần mềm SDR ..............................................6
2.3 Mối liên hệ giữa CR và SDR .............................................................................8
2.4 Sơ đồ khối của thiết bị thu phát CR ...............................................................11
2.5 Kiến trúc mạng mạng vô tuyến nhận thức ......................................................13

- viii -


2.6 Các ứng dụng của mạng vô tuyến nhận thức ..................................................15
2.6.1 Mạng cho thuê – leased network ..............................................................15
2.6.2 Mạng mesh nhận thức – cognitive mesh networks ...................................16
2.6.3 Mạng khẩn cấp ..........................................................................................16
2.6.4 Mạng quân đội ..........................................................................................16
2.7 Chuẩn IEEE 802.22 cho mạng không dây cục bộ WRANs .........................16
2.7.1 Lớp vật lý trong 802.22 ............................................................................17
2.7.2 Lớp MAC trong 802.22 ............................................................................17
2.7.3 Cảm biến kênh trong chuẩn IEEE 802.22 ................................................18
2.7.4 Hƣớng nghiên cứu trong chuẩn IEEE 802.22...........................................20
Chƣơng 3: ..................................................................................................................22
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC KỸ THUẬT CẢM BIẾN PHỔ ..........................22
1. Cảm biến phổ dựa trên năng lƣợng - Energy detection ................................23

2. Cảm biến phổ sử dụng matched filter ............................................................26
3. Cảm biến phổ dựa vào đặc điểm ổn định vòng – Cyclostationary feature
based detection ...................................................................................................29
Chƣơng 4: ..................................................................................................................34
MÔ PHỎNG CÁC GIẢI THUẬT CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN PHỔ TRONG
MẠNG CR ................................................................................................................34
4.1 Cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận
thức dựa trên năng lƣợng .......................................................................................34
4.2 Cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận
thức sử dụng matched filter ...................................................................................35
4.3 Cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận
thức dựa trên đặc điểm ổn định vòng ....................................................................37
Chƣơng 5: ..................................................................................................................39
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM TRÊN KIT ARM LM3S2965.......39
5.1 Cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận
thức dựa trên năng lƣợng .......................................................................................39
5.2 Cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận
thức sử dụng matched filter ...................................................................................40
5.3 Cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận
thức dựa trên ổn định vòng ....................................................................................42
TRIỂN KHAI GIẢI THUẬT TRÊN KIT ARM .......................................................49

- ix -


5.4. Lƣu đồ triển khai các giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng
CR trong mạng vô tuyến nhận thức trên KIT ARM ..............................................49
5.4.1 Lƣu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong
mạng vô tuyến nhận thức dựa trên năng lƣợng .................................................49
5.4.2 Lƣu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong

mạng vô tuyến nhận thức sử dụng matched filter ..............................................50
5.4.3 Lƣu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong
mạng vô tuyến nhận thức dựa trên đặc điểm ổn định vòng ...............................52
5.5. Kết quả triển khai các giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng
CR trong mạng vô tuyến nhận thức trên KIT ARM. .............................................53
5.6. Nhận xét: ........................................................................................................54
Chƣơng 6 ...................................................................................................................57
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................................................57
6.1 Kết luận ...........................................................................................................57
6.2 Hƣớng phát triển của đề tài .............................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................59
PHỤ LỤC ..................................................................................................................61
A - GIỚI THIỆU VỀ ARM VÀ KIT ARM LM3S2965 ...........................................61
I – TỔNG QUAN VỀ ARM CORTEX ....................................................................61
II – GIỚI THIỆU STELLARIS® LM3S2965 EVALUATION BOARD ................76
B - PHƢƠNG PHÁP FFT ACCUMULATION TRONG TÍNH TOÁN PHỔ
VÒNG .......................................................................................................................92

-x-


DANH SÁCH CHÚ GIẢI THUẬT NGỮ TIẾNG ANH
Viết tắt

Diễn giải bằng tiếng Anh

AWGN

:

Additive White Gausian Noise

BS

:

Base Station

CPE

:

Comsumer Premise Equipment

CR

:

Cognitive Radio

DFT

:

Discrete Fourier Transform

DSA

:

Dynamic Spectrum Access

FAM

:

FFT Accumulation Method

FCC

:

Federal Communications Commission

FFT

:

Fast Fourier Transform

IEEE

:

Institute of Electrical and Electronics Engineers

ISI

:

Intersymbol Interference

MAC

:

Medium Access Control

OFDM

:

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PSD

:

Power Spectral Density

PU

:

Primary User

SCH

:

Superframe Control Header

SDR

:

Software Defined Radio

SNR

:

Signal to Noise Ratio

SU

:

Secondary User

TV

:

Television

WSS

:

Wide Sense Stationary

DANH SÁCH HÌNH
Hình

Trang

Hình 1 - 1. Tình hình sử dụng phổ tại Trung tâm nghiên cứu mạng không dây
Berkeley (Berkeley Wireless Research Center), Đại học California tại Berkeley,
USA [9]. ......................................................................................................................1
- xi -


Hình 2 - 1. Minh họa “Hố phổ” [1] ............................................................................6
Hình 2 - 2. Cấu trúc phần cứng của thiết bị SDR [2] ..................................................7
Hình 2 - 3. Cấu trúc phần mềm của thiết bị SDR [2] ..................................................8
Hình 2 - 4. Mối liên hệ giữa SDR và CR [9] ..............................................................9
Hình 2 - 5. Cơ chế nhận thức hay còn gọi là Cognitive Cycle a) Do Mitola đƣa ra
[3]

b) Dạng tổng quát [1] ......................................................................................10

Hình 2 - 6. Kiến trúc vật lý của CR a) kiến trúc của thiết bị thu phát CR b) kiến trúc
front-end RF/analog băng rộng .................................................................................11
Hình 2 - 7. Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức [1] ..................................................13
Hình 2 - 8. Cấu trúc siêu khung và cấu trúc một khung trong chuẩn IEEE 802.22
[10] ............................................................................................................................19
Hình 2 - 9. Cơ chế cảm biến thô và tinh trong hệ thống IEEE 802.22 [10]..............19
Hình 3 - 1. Phân loại các kỹ thuật cảm biến phổ [1] .................................................22
Hình 3 - 2. Sơ đồ khối bộ cảm biến phổ dựa trên năng lƣợng ..................................26

Hình 3 - 3. Sơ đồ khối bộ cảm biến phổ sử dụng matched filter [4].........................27
Hình 3 - 4. Sơ đồ khối của cảm biến phổ dựa vào đặc điểm ổn định vòng .......29
Hình 3 - 5. Tín hiệu ổn định vòng .............................................................................30
Hình 4 - 1. Lƣu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong
mạng vô tuyến nhận thức sử dụng cảm biến phổ dựa trên năng lƣợng. ...................34
Hình 4 - 2. Lƣu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong
mạng vô tuyến nhận thức sử dụng matched filter. ....................................................36
Hình 4 - 3. Lƣu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong
mạng vô tuyến nhận thức sử dụng ổn định vòng FAM (Phụ lục B). ........................38
Hình 5 - 1. PSD tín hiệu khi có 2 PU tại vị trí 512Hz và 2048Hz ...........................39
Hình 5 - 2. PSD của tín hiệu khi đã thêm 1 SU tại vị trí 1024Hz ............................40
Hình 5 - 3. PSD của tín hiệu khi đã thêm 1 SU tại vị trí 1536Hz và 1 SU tại vị trí
3072Hz ......................................................................................................................40
Hình 5 - 4. Tƣơng quan 2 tín hiệu khi có 2 PU tại vị trí 512 Hz và 2048Hz ...........41
Hình 5 - 5. Tƣơng quan 2 tín hiệu khi đã thêm 1 SU tại vị trí 1024Hz ...................42

- xii -


Hình 5 - 6. Tƣơng quan 2 tín hiệu khi đã thêm 1 SU tại vị trí 1036Hz và 1 SU tại vị
trí 3072Hz ..................................................................................................................42
Hình 5 - 7. Phổ vòng khi có 1 PU tại vị trí 2048Hz .................................................43
Hình 5 - 8. Biểu diễn 2 D phổ vòng của tín hiệu khi có PU tại vị trí 2048Hz a)
alpha = 0 b) alpha = 4096 Hz ....................................................................................44
Hình 5 - 9. Phổ vòng của tín hiệu khi có 2 PU tại vị trí 2048Hz và 512 Hz............45
Hình 5 - 10 Phổ vòng tín hiệu khi đã thêm 1 SU tại vị trí 1024Hz ..........................46
Hình 5 - 11. Phổ vòng của tín hiệu khi đã thêm 1 SU tại vị trí 1536Hz và 1 SU tại
vị trí 3072KHz ...........................................................................................................48
Hình 5 - 12. Lƣu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong
mạng vô tuyến nhận thức dựa trên năng lƣợng trên KIT ARM ................................49

Hình 5 - 13. Lƣu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong
mạng vô tuyến nhận thức sử dụng matched filter trên KIT ARM ............................51
Hình 5 - 14 Lƣu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong
mạng vô tuyến nhận thức dựa trên đặc điểm ổn định vòng trên KIT ARM .............52
Hình 5 - 15 Tín hiệu sin và tín hiệu điều chế AM trên KIT ARM LM3S2965 .......55
Hình 5 - 16 Phổ tín hiệu tần số 512 Hz, 1024 Hz, 1536 Hz, 2048 Hz và 3072 Hz
trên KIT ARM LM3S2965........................................................................................56
Hình A - 1 Sự phát triển ARM [11] ..........................................................................62
Hình A - 2 Cấu trúc vi xử lý ARM Cortex – M3 [11] ..............................................65
Hình A - 3 Bảng đồ bộ nhớ [11] ...............................................................................66
Hình A - 4 So sánh giữa phƣơng pháp quản lý bit truyền thống và bit-banding của
Cortex – M3 [11] .......................................................................................................67
Hình A - 5 Biểu đồ so sánh hiệu suất và kích thƣớc mã cho ARM, Thumb và
Thumb-2 [11] ............................................................................................................68
Hình A - 6 Kỹ thuật tail-chaining trong NVIC [11] .................................................70
Hình A - 7 Hệ thống theo vết của Cortex – M3 [11] ................................................73
Hình A - 8 Board EVB LM3S2965 [12][13] ............................................................77
Hình A - 9 Board CAN LM3S2110 [12][13] ............................................................78
Hình A - 10 Sơ đồ khối board EVB LM3S2965 [12][13] ........................................79
- xiii -


Hình A - 11 Sơ đồ khối board LM3S2110 [12][13] .................................................80
Hình A - 12 Chế độ giao tiếp ICD [12][13] ..............................................................86
Hình A - 13 Kết nối trên board CAN LM3S2110 [12][13] ......................................87
Hình A - 14 Bố trí của các lịnh kiện trên board EVB [12][13] ................................88
Hình B - 1. Tính toán giải điều chế phức ..................................................................93
Hình B - 2. Triển khai phƣơng pháp FFT Accumulation .........................................93

DANH SÁCH BẢNG

Bảng

Trang

Bảng A - 1 Thiết lập chế độ gỡ lỗi ............................................................................82
Bảng A - 2 Danh sách phần cứng cách ly trên board [12][13] .................................85
Bảng A - 3 Các chân I/O kết nối qua header [12][13] ..............................................89
Bảng A - 4 Cấu hình các chân JTAG/SWD [12][13] ...............................................90



- xiv -


Chƣơng 1:
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan và các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
Theo FCC, phổ tần có đăng ký đƣợc sử dụng trung bình chỉ khoảng 15-85%
[1] và đặc biệt là phổ tần trên 3 GHz ít đƣợc sử dụng nhƣ một cuộc nghiên cứu
đƣợc thực hiện tại ở Berkeley [5]. Kết quả đo đạt việc sử dụng phổ (hình 1 – 1) nhƣ
sau: sử dụng phổ ở dải tần 3-4 GHz và 4-5 GHz chỉ chiếm lần lƣợt là 0.5% và 0.3%.
Từ sự mất cân đối này, một bài toán lớn đặt ra cho các nhà nghiên cứu là tìm ra một
phƣơng pháp truyền thông nhằm tận dụng mọi phổ tần rỗi.

Hình 1 - 1. Tình hình sử dụng phổ tại Trung tâm nghiên cứu mạng không dây
Berkeley (Berkeley Wireless Research Center), Đại học California tại Berkeley,
USA [9].
Nhƣ đã đề cập ở trên, phần lớn các mạng không dây hiện nay sử dụng
phƣơng pháp cấp phát phổ cố định. Đây là một phƣơng pháp cấp phát rất không
hiệu quả vì nhu cầu băng thông có đăng ký thay đổi nhiều theo thời gian và không

gian.
Từ những khó khăn nhƣ đã nêu ở trên, Joseph Mitola III [3] công tác tại
KTH, Học Viện Công Nghệ Hoàng Gia (The Royal Institute of Technology),
Stockholm, Thụy Điển lần đầu tiên đƣa ra ý tƣởng về mạng mạng vô tuyến nhận
thức - Cognitive Radio (CR).

-1-


Mạng CR là một lĩnh vực khá mới mẻ và đầy triển vọng cho truyền thông
không dây trong những năm gần đây. Việc thiết kế các hệ thống CR đáp ứng đƣợc
các yêu cầu của một mạng CR là vô cùng quan trọng nhằm tận dụng đƣợc các phổ
tần rỗi. Điều này cũng có nghĩa là sẽ giải quyết đƣợc vấn đề về sự hạn hữu phổ tần
của các mạng di động.
Cognitive radio (CR): là sóng vô tuyến dựa trên nhận thức. CR là một mô
hình sử dụng cho truyền thông không dây, ở mô hình này mạng hoặc nút mạng thay
đổi tham số truyền hoặc nhận (các tham số: phổ hoạt động, điều chế, và công suất
truyền tải) để truyền thông có hiệu quả nhằm tránh nhiễu với những ngƣời sử dụng
có đăng ký hoặc không đăng ký. Sự thay đổi các tham số này dựa trên việc kiểm tra
một số yếu tố bên trong và bên ngoài của môi trƣờng vô tuyến, chẳng hạn nhƣ phổ
tần số vô tuyến, hành vi ngƣời sử dụng và tình trạng của mạng. Sự linh hoạt này
làm cho CR có thể tận dụng phổ tần không sử dụng, cải thiện tốc độ và độ tin cậy
của các dịch vụ không dây.
Chức năng chính của CR :
 Cảm biến phổ: phát hiện phổ không sử dụng và chia sẻ phổ này mà
không gây nhiễu cho ngƣời sử dụng khác. Yêu cầu quan trọng của
mạng CR là cảm biến các hố phổ. Việc phát hiện PU là cách hiệu quả
nhất để phát hiện hố phổ. Kỹ thuật cảm biến phổ có thể chia thành 3
loại:
 Phát hiện thiết bị phát: CR phải có khả năng xác định nếu một

tín hiệu từ một thiết bị phát PU xuất hiện trong một phổ nhất
định.
 Phát hiện hợp tác
 Phát hiện dựa trên nhiễu
 Kiểm soát phổ: nắm đƣợc phổ có sẵn tốt nhất để đáp ứng các yêu cầu
truyền thông ngƣời sử dụng. CR phải quyết định dải phổ tốt nhất để

-2-


đáp ứng các yêu cầu QoS qua tất cả các dải phổ có sẵn. Chức năng
kiểm soát có thể chia thành:
 Phân tích phổ (spectrum analysis)
 Quyết định phổ (spectrum decision)
 Tính di động của phổ: đƣợc định nghĩa nhƣ là quá trình khi ngƣời sử
dụng CR thay đổi tần số hoạt động. Các mạng CR hƣớng đến sử dụng
phổ động bằng cách cho phép các đầu cuối hoạt động trong dải tần số
có sẵn tốt nhất, đảm bảo các yêu cầu truyền thông liên tục trong suốt
quá trình chuyển tiếp sang phổ tốt hơn.
 Chia sẻ phổ: cung cấp phƣơng pháp lập lịch phổ hợp lý. Một trong
những khó khăn chính trong việc sử dụng phổ mở là chia sẻ phổ. Có
thể xem giống nhƣ vấn đề điều khiển truy cập môi trƣờng (Medium
Access Control – MAC) đang tồn tại trong các hệ thống.
Ở Việt Nam, đây là lĩnh vực khá mới mẻ nên số lƣợng đề tài nghiên cứu về
lĩnh vực này còn khá ít. Một số đề tài điển hình là đề tài Thạc sỹ của Trƣơng Minh
Chính,“Cảm nhận phổ theo mô hình phân tán hợp tác trong mạng radio có ý thức
bằng kỹ thuật lấy mẫu nén”. Hay là đề tài của sinh viên Lê Đình Huy “Cảm nhận
phổ hợp tác trong vô tuyến có ý thức (Cooperative Spectrum Sensing in Cognitive
Radio)”,và đề tài của hai sinh viên Mai Thanh Nga và Trần Ngọc Dũng:“Nghiên
cứu thiết kế anten và phương pháp ước lượng phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thức

(Cognitive Radio)”.Một đề tài khác nghiên cứu về ảnh hƣởng của fading đến hệ
thống mạng vô tuyến nhận thức của Lâm Sinh Công “Effect of Shadowing/fading in
Cognitive Radio System”,…
Một số công trình nghiên cứu ở nước ngoài: ở bài báo [5] ngƣời ta dùng
phƣơng pháp cảm biến đặc tính dựa trên ổn định vòng để phát hiện tín hiệu PU.
Trong bài viết [1] đề cập kiến trúc của CR và cũng đã nêu ra các phƣơng pháp cảm
biến phổ dựa trên năng lƣợng, cảm biến dùng matched filter và cảm biến đặc tính
dựa trên ổn định vòng.

-3-


1.2. Mục tiêu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu
Từ những phân tích trên, mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu các kỹ thuật
cảm biến phổ trong mạng vô tuyến nhận thức.
Khách thể nghiên cứu là mạng vô tuyến nhận thức.
Đối tƣợng nghiên cứu là tham số phổ của mạng vô tuyến nhận thức, cách
thức phát hiện có hay không về sự hiện diện của PU trong môi trƣờng SU đang hoạt
động.
1.3. Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu
Nhiệm vụ của đề tài là nghiên cứu, tìm hiểu một thế hệ mạng không dây mới
đó là mạng vô tuyến nhận thức và tìm hiểu các kỹ thuật cảm biến phổ để nhận biết
sự hiện diện của Pu trong môi trƣờng mà SU đang hoạt động. Song, vì điều kiện
không cho phép về thời gian cũng nhƣ thiết bị và tài liệu nghiên cứu nên đề tài này
chỉ giới hạn ở một số nhiệm vụ sau:
 Tìm hiểu tình hình thực tế về việc sử dụng phổ tần hiện nay, các yêu
cầu cấp thiết đang đặt ra.
 Tìm hiểu tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức.
 Nghiên cứu giải thuật cảm biến phổ áp dụng trong mạng vô tuyến
nhận thức nhằm tối ƣu hóa việc sử dụng tài nguyên phổ.

 Bên cạnh đó, đề tài cũng tiến hành tìm hiểu cấu trúc phần cứng ARM
- CORTEX 32bits LM3S2965.
 Triển khai các giải thuật cảm biến phổ đã mô phỏng trong phần mềm
Matlab trên KIT ARM.
Phạm vi nghiên cứu: thời gian thực hiện đề tài 6 tháng để nghiên cứu tài liệu,
nghiên cứu các giải thuật đã thực hiện trong các đề tài trong và ngoài nƣớc; nghiên
cứu áp dụng và mô phỏng giải thuật cảm biến phổ trong cấp phát tài nguyên phổ
cho mạng vô tuyến nhận thức. Đồng thời, đề tài cũng tiến hành triển khai các giải
thuật đã mô phỏng trong phần mềm Matlab trên KIT ARM LM3S2965.

-4-


1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: tìm kiếm, đọc và nghiên cứu tài liệu về
mạng vô tuyến nhận thức, tài liệu về ARM, tài liệu về ARM LM3S2965 của hãng
Texas Instruments từ thƣ viện của trƣờng và chủ yếu là từ internet.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Sử dụng phần mềm Matlab để mô
phỏng giải thuật đã đã nghiên cứu và sử dụng KIT ARM LM3S2965 Evaluation để
triển khai các giải thuật cảm biến phổ đã mô phỏng trong phần mềm Matlab.



-5-


Chƣơng 2:
KIẾN TRÚC MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

2.1 Hố phổ

Nhƣ đã đề cập phần trên, phổ tần đƣợc sử dụng chỉ chiếm tỉ lệ thấp và nhu cầu
băng thông có đăng ký thay đổi nhiều theo thời gian và không gian. Những phổ tần
rỗi này đƣợc gọi là “hố phổ”. CR ra đời nhằm tận dụng tối đa những phổ tần rồi này
để đáp ứng nhu cầu sử dụng các dịch vụ không dây ngày càng cao của con ngƣời và
giải quyết vấn đề phổ tần là hữu hạn.
Trong mạng vô tuyến nhận thức thì mạng này cho phép sử dụng tạm thời các
phổ tần không sử dụng. Khi ngƣời sử dụng có cấp phép cần sử dụng lại phổ tần của
họ thì CR sẽ chuyển sang một hố phổ khác hoặc thay đổi các thông số phát để
không làm ảnh hƣởng đến ngƣời sử dụng có cấp phép. Ngƣời ta áp dụng một kỹ
thuật để truy cập vào phổ tần gọi là kỹ thuật truy cập phổ tần động (Dynamic
Spectrum Access - DSA) để lắp đầy các hố phổ này.

Hình 2 - 1

Hình 2 - 1. Minh họa “Hố phổ” [1]
2.2 Vô tuyến đƣợc định nghĩa bằng phần mềm SDR

-6-


Software Defined Radio – SDR [2], [9] là một kỹ thuật vô tuyến sử dụng một
nền tảng phần cứng thống nhất để cung cấp các tiêu chuẩn thông tin, các lƣợc đồ
điều chế và tần số khác nhau thông qua các module phần mềm. Nó hỗ trợ việc triển
khai các hệ thống thông tin vô tuyến đa băng tần và đa chuẩn. Cụ thể, SDR đƣợc
định nghĩa là một tập hợp các kỹ thuật phần cứng và phần mềm trong đó một vài
hoặc toàn bộ các chức năng hoạt động của vô tuyến (còn đƣợc gọi là xử lý lớp vật
lý) đƣợc thực hiện thông qua phần mềm hoặc firmware có thể thay đổi hoạt động
dựa trên các kỹ thuật xử lý lập trình đƣợc. Các thiết bị này gồm có các ma trận cổng
logic bán dẫn trƣờng cho phép lập trình đƣợc FPGA (Field Programmable Gate
Arrays), các bộ xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processor), các bộ xử lý đa

dụng GPP (General Purpose Processor), hệ thống trên chip lập trình đƣợc SoC
(System on Chip) hoặc các bộ xử lý có thể lập trình theo ứng dụng cụ thể khác.
Việc thiết kế các hệ thống SDR đã mở ra một khía cạnh mới trong lĩnh vực thông
tin liên lạc.

Hình 2 - 2. Cấu trúc phần cứng của thiết bị SDR [2]
Trƣớc kia, các hệ thống thông tin (không dây) đƣợc thực thi trên bởi một
phần cứng chuyên dụng dựa trên các tham số riêng của hệ thống đó. Điều này khác
với cách ngƣời ta sử dụng máy tính để chạy các chƣơng trình và ứng dụng khác
nhau trên cùng một phƣơng tiện tính toán. SDR cho phép nhiều hệ thống thực thi
các chƣơng trình trên cùng platform phần cứng.

-7-


Hình 2 - 3. Cấu trúc phần mềm của thiết bị SDR [2]
2.3 Mối liên hệ giữa CR và SDR
Nhƣ đƣợc đề cập ở phần trƣớc, một trong các đặc tính chính của vô tuyến
nhận thức là khả năng thích nghi với các tham số vô tuyến (gồm tần số, công suất,
phƣơng thức điều chế, băng thông) có thể thay đổi phụ thuộc vào môi trƣờng, tình
trạng của ngƣời sử dụng, điều kiện mạng, vị trí địa lý,… SDR có thể cung cấp một
tính năng vô tuyến rất linh hoạt bằng cách tránh sử dụng các linh kiện và mạch
analog dành cho ứng dụng cụ thể. Vì thế, CR cần đƣợc thiết kế dựa trên SDR. Mặt
khác, SDR là công nghệ lõi cho CR. Hình 2 – 4 bên dƣới là một trong những mô
hình đơn giản nhất mô tả mối liên hệ giữa CR và SDR. Trong mô hình này, SDR là
một phần trong hệ thống CR. Ở đây, CR là sự kết hợp của cơ chế nhận thức
(cognitive engine), SDR, và những chức năng hỗ trợ khác. Cơ chế nhận thức đóng
vai trò tối ƣu hóa và điều khiển SDR dựa trên một số tham số mà nó cảm biến và
học đƣợc từ môi trƣờng vô tuyến, tình trạng ngƣời sử dụng, và điều kiện mạng. Cơ
chế nhận thức chú ý đến tài nguyên và khả năng của phần cứng cũng nhƣ các thông

số đã đề cập. SDR đƣợc xây dựng dựa trên phần mềm xử lý tín hiệu số và phần
mềm có thế điều chỉnh tần số cao tần RF (Radio Frequency). Do đó, SDR có thể hỗ
trợ nhiều chuẩn (cụ thể là: GSM, EDGE, WCDMA, CDMA2000, Wi-Fi, WiMAX)

-8-


và các công nghệ đa truy cập (Ví dụ nhƣ: Time Division Multiple Access (TDMA),
Code Division Multiple Access (CDMA), Orthogonal Frequency Division Multiple
Access (OFDMA), and Space Division Multiple Access (SDMA).)

Hình 2 - 4. Mối liên hệ giữa SDR và CR [9]
SDR là một công nghệ mang đầy hứa hẹn để tạo ra khả năng nhận thức của
mạng CR. Chẳng hạn nhƣ, một trong những khả năng quan trọng của CR là hệ
thống quản lý phổ động. Cảm biến phổ, cơ chế tối ƣu hóa để tận dụng một phần phổ
nào đó, và điều chỉnh phổ là các bƣớc chính trong các hệ thống quản lý phổ. Trong
trƣờng hợp phổ, các thiết bị cảm biến phổ có thể đƣợc nhúng vào bên trong SDR
hoặc liên kết với SDR từ bên ngoài. Ví dụ, antenna có thể đƣợc xem nhƣ là cảm
biến nội của SDR và video camera cảm biến ngoài. Mặt khác, SDR có thể có một

-9-