Tìm hiểu mạng vô tuyến nhận thức

BÁO CÁO MÔN HỌC: MẠNG TRUY NHẬP
ĐỀ TÀI:
TÌM HIỂU MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC
(COGNITIVE RADIO NETWORK)

Contents

Mục lục hình


Chương 1: Tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức
(Cognitive Radio Networks)
1. Khái niệm vô tuyến nhận thức-Cognitive Radio (CR)
1.1. Lịch sử hình thành khái niệm vô tuyến nhận thức
Thuật ngữ CR xuất hiện lần đầu tiên trong một bài báo của Joseph Mitola III và Gerald Q.
Maguire vào năm 1999. Họ nhận thấy vô tuyến nhận thức là một sự cải tiến của vô tuyến phần
mềm (software radio) và định nghĩa rằng:
”Radio etiquette is the set of RF bands,air interfaces,protocols,and spatial and temporal patterns
that moderate the use of radio spectrum.Cognitive radio extends the sofware radio with radiodomain model-based resoning about such etiquettes”
Tạm dịch là: vô tuyến nhận thức là sự phát triển của vô tuyến phần mềm và nó có thể thiết lập
các thông số như băng tần, giao tiếp, giao thức trong môi trường biến đổi theo không gian và thời
gian nhằm điều tiết việc sử dụng phổ vô tuyến.
Còn theo Simon Haykin thì vô tuyến nhận thức được định nghĩa:
”Cognitive radio is an intelligent wireless communication system that aware of its surrounding
enviroment and use the methodology of understanding by building to learn from the environment
and adapt its internal states to statistical variations in the incoming radio frequence(RF) stimuli
by making corresponding changes in certain operating parameters(eg:transmit power,carrier
frequency,modulation strategy)in real time,with two primary objectives in mind:
- Highly reliable communications whenever and wherever needed
- Efficient utilization of the radio spectrum ”
Tạm dịch là : vô tuyến nhận thức là một hệ thống thông tin không dây có khả năng nhận biết

được môi trường xung quanh và từ môi trường nó sẽ học để thích nghi với sự thay đổi của môi
trường bằng cách thay đổi các thông số tương ứng (công suất truyền, tần số sóng mang, phương
pháp điều chế ) trong thời gian thực với hai vấn đề chính:
- Thứ nhất là giao tiếp với độ tin cậy cao bất cứ khi nào và bất cứ ở đâu.
2


- Thứ hai là việc sử dụng quả phổ vô tuyến.
Nhấn mạnh vào hệ thống phát tín hiệu ,FFC đưa ra khái niệm Vô tuyến nhận thức :
“ A radio that can change its transmitter parameters based on interaction with the environment
in which it operates.”
Tạm dịch là : Vô tuyến nhận thức là một sóng vô tuyến có khả năng thay đổi các thông số truyền
dựa trên việc tương tác với môi trường xung quanh nó.
Tổ chức quản lí phổ quốc tế ITU lại định nghĩ Vô tuyến nhận thức theo hướng khả năng của nó :
“ A radio or system that senses and is aware of its operational environment and can dynamically
and autonomously adjust its radio operating parameters accordingly.”
Tạm dịch là : Vô tuyến nhận thức là một hệ thống cảm biến và nhận biết được môi trường hoạt
động và có thể điều chỉnh 1 cách linh hoạt,tự động các thông số hoạt động tương ứng của nó .

Hì
nh 1-1 Lịch sử hệ thống CR

1.2. Định nghĩa vô tuyến nhận thức
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 trường hoạt động.

3


2. Nguyên nhân hình thành

Theo Ed Thomas “ Nếu xét toàn bộ giải tần số vô tuyến từ 0 đến 100 GHz và quan trắc ở
một thời gian và không gian cụ thể, thì chỉ có từ 5% đến 10% lượng phổ tần được sử
dụng”. Như vậy, có hơn 90% tài nguyên phổ tần vô tuyến bị lãng phí.
Như chúng ta đã biết, dải tần số của sóng vô tuyến là một tài nguyên được quản lí bởi các tổ
chức viễn thông của chính phủ. Và bất cứ hệ thống thu phát vô tuyến nào muốn sử dụng tần số
đều phải được cấp phép bởi các tổ chức đó. Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kĩ
thuật nói chung và lĩnh vực điện tử - viễn thông nói riêng, dải tần số đang dần trở nên chật hẹp
bởi sự gia tăng số lượng các hệ thống vô tuyến cũng như các chuẩn giao tiếp như FM, AM, TV,
Mobile network,Wifi,Wimax... Điều nghịch lí ở chỗ là mặc dù phổ tần số đang ngày càng chật
hẹp thì hiệu suất sử dụng tài nguyên tần số lại rất thấp. Theo thống kê của Hội đồng viễn thông
liên bang của Mĩ (FCC) thì hiệu suất sử dụng tài nguyên phổ tần số chỉ vào khoảng 15% đến
85%. Hiệu suất này thay đổi dựa vào đặc điểm hệ thống mạng viễn thông ở từng vùng địa lí
(mạng dày đặc hay thưa thớt) và thời điểm sử dụng (giờ cao điểm hay bình thường).
Vô tuyến nhận thức cùng với truy cập phổ động có thể vuợt qua vấn đề mà ta đã đề cập ở trên.
Vô tuyến nhận thức không chỉ là công nghệ vô tuyến mới mà còn chứa những thay đổi mang tính
cách mạng trong việc quản lí phổ. Vô tuyến mới này được thiết kế để sử dụng và chia sẻ linh
hoạt phổ mà không ảnh hưởng hệ thống vô tuyến cấp phép. Với công nghệ vô tuyến nhận thức,
các thiết bị vô tuyến nhận thức được sử dụng để cảm ứng, nhận diện và sử dụng phổ tần vô tuyến
hiệu quả hơn nữa theo thời gian, không gian và tần số.

Hình 2-2 Khái niệm về hố phổ rồi hình thành nên ý tưởng về Vô tuyến nhận thức

4


3. Kiến trúc vật lý
3.1. Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức

Hình 3-3 Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức

Các thành phần kiến trúc của mạng Vô tuyến nhận thức, như Hình 3.1, có thể phân thành hai
nhóm là mạng chính (primary network) và mạng Vô tuyến nhận thức. Các thành phần cơ bản của
hai nhóm mạng này được xác định như sau:
3.1.1 Mạng chính (Primary network):
Mạng chính có quyền truy nhập tới một vài băng phổ nhất định, chẳng hạn như mạng TV
quảng bá, hay mạng tổ ong nói chung. Các thành phần của mạng chính bao gồm:
- Người dùng chính (Primary user): Người dùng chính (hay người dùng được cấp phép) có giấy
phép để hoạt động trong một băng phổ 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
5


khác. Để cùng tồn tại với các trạm gốc Vô tuyến nhận thức và người dùng Vô tuyến nhận thức,
những người dùng chính này không cần bất cứ sự điều chỉnh hoặc chức năng cộng thêm nào.
- Trạm gốc chính (Primary base-station): Trạm gốc chính (hay trạm gốc được cấp phép) là thành
phần cơ sở hạ tầng mạng được cố định, có giấy phép phổ, như BTS trong mạng tổ ong. Về
nguyên tắc, trạm gốc chính không có khả năng chia sẻ phổ với những người dùng Vô tuyến nhận
thức. Tuy nhiên, trạm gốc chính này có thể yêu cầu để có được khả năng này.

3.1.2 Mạng Vô tuyến nhận thức:
Mạng Vô tuyến nhận thức (hay mạng xG, mạng Truy nhập phổ tần động, mạng thứ cấp,
mạng không được cấp phép) không có giấy phép để hoạt động trong một băng mong muốn. Do
đó, nó chỉ được phép truy nhập phổ khi có cơ hội. Mạng Vô tuyến nhận thức có thể gồm cả mạng
có cơ sở hạ tầng và mạng ad hoc, các thành phần của mạng Vô tuyến nhận thức như sau:
- Người dùng Vô tuyến nhận thức: Người dùng Vô tuyến nhận thức (hay người dùng xG, người
dùng không được cấp phép, người dùng thứ cấp) không có giấy phép sử dụng phổ. Do đó, cần có
các chức năng cộng thêm để chia sẻ băng phổ cấp phép.
-Trạm gốc Vô tuyến nhận thức: Trạm gốc Vô tuyến nhận thức (hay trạm gốc xG, trạm gốc không
cấp phép, trạm gốc thứ cấp) là thành phần cơ sở hạ tầng cố định với các khả năng của Vô tuyến
nhậ 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 nhập phổ. Thông qua kết nối này, người dùng Vô
tuyến nhận thức có thể truy nhập đến các mạng khác.
- Bộ phân chia phổ (Spectrum broker): Bộ phân chia phổ (hay server lập lịch) là một thực thể
mạng trung tâm đóng vai trò trong việc chia sẻ các tài nguyên phổ tần giữa các mạng Vô tuyến
nhận thức khác nhau. Bộ phân chia phổ có thể kết nối với từng mạng và có thể phục vụ với tư
cách là người quản lí thông tin phổ, nhằm cho phép các mạng Vô tuyến nhận thức cùng tồn tại.
3.2. Kiến trúc chung hệ thống thu phát CR
Kiến trúc chung của một hệ thống thu phát CR được minh họa như hình dưới đây . Trong đó
các bộ phận chính của hệ thống là phần đầu (RF Front-End) và phần xử lí băng gốc (baseband
6


processing unit). Mỗi bộ phận đều có thể được tái cấu hình thông qua đường điều khiển (control)
nhằm thích ứng với các điều kiện thay đổi liên tục của môi trường

Hình 3-4 Bộ thu phát CR

Nếu như phần xử lí băng gốc tương tự như các hệ thống thu phát bình thường thì phần RF FrontEnd tạo nên sự khác biệt và tiến bộ của CR. Do vậy, chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu phần RF
Front-End.

Hình 3-5 Kiến trúc RF Front-End

Ưu điểm của phần RF Front-End trong hệ thống CR là khả năng cảm biến băng rộng, có thể
điều chỉnh đến bất cứ phần nào trong dải tần số rộng lớn. Hơn nữa nó có thể đo lường các thông
tin phổ từ môi trường để phục vụ cho chức năng cảm biến phổ. Các bộ phận chính của khối RF
Front-End gồm có:

7

RF Filter: có tác dụng chọn được khoảng băng thông mong muốn bằng cách cho tín hiệu qua
bộ lọc thông dải
LNA (Low noise amplifier): bộ khuếch đại nhiễu thấp có tác dụng: loại nhiễu tần số ảnh,
khuếch đại nhiễu thấp tín hiệu nhỏ ngõ vào của máy thu tới mức cần thiết để đổi tần, tăng độ
nhạy máy thu. LNA thường có từ một đến ba tầng khuếch đại tuyến tính, có điều hưởng chọn lọc
tần số-băng thông tín hiệu mong muốn. Có tác dụng khuếch đại tín hiệu mong muốn đồng thời
giảm tín hiệu nhiễu
MIXER: tại bộ đổi tần thì tín hiệu thu được từ máy thu sẽ được trộn với tần số gốc được phát ra
và được chuyển tới dải băng gốc hay tần số trung tần.
VCO (Voltage_controlled oscillator): được biết đến như là bộ điều chỉnh tần số bằng điện áp.
Có tác dụng như bộ khóa pha giúp tần số ra ổn định.
Channel selection filter: được dùng để chọn kênh mong muốn đồng thời loại bỏ kênh kế cận.
Có hai cách để chọn kênh: direct convertion receiver và superheterodyne.
AGC (Automatic gain control): là hệ thống hồi tiếp điều chỉnh độ lợi máy thu dựa vào biên độ
tín hiệu thu đồng thời mở rộng dải rộng, cho phép ta tăng hoặc giảm độ khuếch đại khi tín hiệu
thu yếu hay mạnh bằng cách thay đổi điện áp phân cực.
PLL (Phase locked loop): là hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu hồi tiếp được dùng để khóa
tần số và pha của tín hiệu ra theo tần số và pha của tín hiệu vào.
Thách thức đối với việc thiết kế kiến trúc cho CR là có thể phát hiện chính xác tín hiệu cường độ
yếu của PU trong một dải phổ rộng.

4. Các chuẩn trong mạng vô tuyến nhận thức
4.1. Chuẩn IEEE SSC 41
Từ khi hệ thống quản lý phổ phù hợp sử dụng SDR trong hệ thống CR bao gồm nhiều kĩ thuật,
nhiều phương pháp chuẩn và những giả thiết liên quan thì trở nên quan trọng. Những phương
pháp xử lý chuẩn và các cuộc kiểm tra này được yêu cầu cho sự phát triển và triển khai hệ thống
mạng CR. Tuy nhiên, đến bây giờ, hầu hết các nhóm đều riêng rẽ và làm việc độc lập, do đó, kết
quả thì không có sự kết hợp. Để giải quyết vấn đề này, thig việc kết hợp giữa các nhóm lại với
nhau về cả trong công nghiệp, về kĩ năng và các tổ chức khác thì thật sự cần thiết. Và chuẩn
8

IEEE Standards Coordinating Committee (SCC) 41 trong hệ thống CR và trong quản lý phổ đã
được xây dựng để bắt đầu một chuỗi các chuẩn liên quan gọi là IEEE 1900.
IEEE SCC 41 được xây dựng để định địa chỉ cho các điều đã được ban hành liên quan tới sự phát
triển, triển khai cài đặt và xây dựng một hệ thống CR và hệ thống quản lý phổ phù hợp. IEEE
SCC 41 thì bao gồm 4 nhóm làm việc chính và 1 nhóm nghiên cứu. Mỗi nhóm có nhiệm vụ cho
mỗi chuẩn cho các khía cạnh khác nhau của hệ thống CR. Mỗi chuẩn trong IEEE 1900 thì được
hướng tới mỗi nhóm làm việc. Sau khi hoàn thành xong các tài liệu phác thảo thì các nhóm làm
việc này sẽ gửi các bản thảo này lên cho IEEE để bình chọn, việc bình chọn này được thực hiện
bởi IEEE Standards Association (SA). Nếu mà không được bình chọn thì hệ thống sẽ loại trừ bản
thảo này. Sau khi quyết định, bản thảo sẽ được bình chọn 1 lần nữa. Phương pháp này thì chắc
chắn rằng các chuẩn sẽ được dùng trong những công việc khác nhau trong hệ thống CR. Hệ
thống IEEE 1900 bao gồm :
IEEE 1900.1: nhiệm vụ chính của tiêu chuẩn này là xác định và giải thích về những thuật ngữ
và những khái niệm của quản lý phổ, SDR, vô tuyến thích nghi và những kĩ thuật khác. Tiêu
chuẩn cũng mô tả sự tương tác giữa những khái niệm. Chuẩn IEEE 1900.1 thì được sử dụng như
là 1 kết nối giữa các nhóm làm việc trong IEEE SCC 41, bởi vì tất cả các nhóm đều định nghĩa
dựa trên tiêu chuẩn này.
IEEE 1900.2: tiêu chuẩn này liên quan tới các đề nghị trong thực tế của nhiễu và sự tồn tại
đồng thời của phân tích. Trong hệ thống CR, nhiều hệ thống không dây và dịch vụ được cho
phép cùng tồn tại trong cùng 1vị trí ở cùng 1 thời điểm. Các thông số hoạt động tối ưu của các hệ
thống và các dịch vụ trên thì là thông số chủ yếu để quản lý và để tránh nhiễu.Theo đó, một
khung công việc cho tính toán, nghiên cứu phân tích nhiễu giữa các thiết bị không dây và dịch vụ
thì được giới thiệu. Các nhóm này sẽ phát triển một tiêu chuẩn để giải quyết sự xung đột đụng độ
trong hệ thống CR.
IEEE 1900.3: tiêu chuẩn này thì liên quan tới các giá trị phù hợp của cấu trúc phần mềm của
hệ thống SDR. Nhóm công việc này sẽ phát triển và định nghĩa các phương pháp cho việc tìm
giá trị phù hợp của các các bộ phận của phần mềm trong hệ thống SDR dựa trên các thiết bị
không dây. Công vịêc chính của tiêu chuẩn này là đảm bảo sự tồn tại đồng thời và sự phù hợp

trong phần mềm. Sự phù hợp này được yêu cầu phải hợp lệ và được chứng nhận của hệ thống
CR.
9


IEEE 1900.4: tiêu chuẩn này thì liên quan đến sự cung cấp đồng thời cho việc tái cấu hình
các giao diện không khí không đồng nhất. Sự không đồng nhất sẽ là chìa khoá cho hệ thống
không dây mà các thiết bị di động có thể sử dụng kĩ thuật không dây đa kênh một cách đồng
thời.Nhóm làm việc sẽ định nghĩa tất cả kiến trúc của hệ thống cũng như công thức của hệ thống.
IEEE 1900.A: trách nhiệm của tiêu chuẩn này thì liên quan tới sự phù hợp của việc truy cập
phổ linh động dựa vào thiết bị. Các nhóm nghiên cứu sẽ nhấn mạnh sự phụ thuộc và giá trị của
các thông số của thiết bị không dây với truy cập phổ linh động. Bởi vì một thiết bị CR sẽ phức
tạp hơn so với các thiết bị cũ, nên một giải thuật hợp lý trở thành một thử thách. Các phương
pháp mới cần được phát triển để chắc rằng các thiết bị sẽ không gây nhiễu lên kênh truyền của
thiết bị đăng kí. Việc nghiên cứu bao gồm cả sự khó khăn trong việc phân tích nguyên nhân của
nhiễu. Nhà sản xuất phải tránh chúng để chắc chắn rằng các thiết bị sẽ phù hợp với các luật lệ.
Cũng có những tiêu chuẩn IEEE khác mà cũng liên quan tới các luật lệ của hệ thống không dây
và hệ thống CR như IEEE 802.18, 19, 21, 22. IEEE 802.18 là một tiêu chuẩn được dùng cho các
nhóm có trách nhiệm về sự tham gia và sự giám sát quá trình tiến triển của các hoạt động của
sóng vô tuyến trong nhiều hệ thống khác nhau ví dụ như IEEE 802.11 WLAN, IEEE 802.15
WPAN, IEEE 802.16 WMAN, IEEE 802.20 Mobile WLAN, IEEE 802.22 WRAN. Nhóm tiêu
chuẩn IEEE 802.18 này có thể đưa ra các bình luận đến các luật lệ của bộ điều chỉnh để thông tin
tới các nhu cầu của truy cập phổ. IEEE 802.19 là nhóm tiêu chuẩn dùng trong sự tồn tại đồng
thời. Nhóm này sẽ định địa chỉ cho các giả thiết tồn tại đồng thời giữa các hệ thống không dây
dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802 ( ví dụ như IEEE 802.11 và Bluetooth). Trong trường hợp này, khi
một tiêu chuẩn mới cho một mạng không dây chưa đăng kí được giới thiệu, nhóm tiêu chuẩn
IEEE 802.19 sẽ xét sự đảm bảo của các tiêu chuẩn đó để chắc chắn rằng tiêu chuẩn mới này sẽ
cùng tồn tại với sự tồn tại của kĩ thuật đang hoạt động trong cùng 1 phổ. Chuẩn IEEE 802.21 là
một chuẩn mới cung cấp khả năng quản lý phổ linh động cho cả kĩ thuật đồng bộ và không đồng
bộ. Nó là tiêu chuẩn cơ bản cho hệ thống không dây mà các thiết bị di động có thể sử dụng kĩ

thuật không dây này. IEEE 802.22 là 1 kĩ thuật không dây mới cung cấp dữ liệu thông tin trên
một khu vực rộng lớn. Kĩ thuật này sẽ hoạt động trên băng tần TV. Tuy nhiên, để chắc chắn rằng
các dịch vụ cũ không bị nhiễu bởi các thiết bị IEEE 802.22, thì hệ thống truy cập phổ linh động
được đề cập tới. Mối quan hệ giữa các thành phần IEEE SCC 41 như hình vẽ:

10


11


Hình 4-6 Mối quan hệ giữa các thành phần trong IEEE SCC 41

4.2. Chuẩn IEEE 802.22 cho khu vực mạng không dây (wireless regional area networks
(WRANs))
Hệ thống kiến trúc của chuẩn IEEE 802.22 dựa trên WRAN thì tương tự như mạng truy cập
không dây băng rộng (broadband wireless access (BWA)) như IEEE 802.16 WiMAX. Trong thực
tế, một WRAN thì dựa trên kết nối điểm- đa điểm mà trong đó các trạm gốc BS điều khiển tất cả
các kết nối.
- Lớp vật lý trong 802.22
Trong lớp vật lý, sự truyền dẫn của chuẩn IEEE 802.22 thì hướng đến các tần số mà dựa vào truy
cập dồn tần số trực giao (OFDMA). Ghép các băng TV có thể được sử dụng 1 cách hợp lý để
tăng cường dung lượng của hệ thống bằng cách sử dụng kĩ thuật liên kết kênh truyền. Kênh
truyền liên kết là kĩ thuật sử dụng bộ ghép kênh cho sự truyền dẫn của dòng dữ liệu đơn. Một kĩ
thuật tương tự được dùng là chuẩn IEEE 802.11 dựa trên WLANs. Hệ thống và mã phù hợp từ
0.5 bit/symbol/Hz đến 5 bit/symbol/Hz sẽ được cung cấp cho chuẩn này. Một mạng IEEE 802.22

12

thì được mong đợi sẽ cung cấp hơn 10 người dùng trên 1 mạng tế bào với đường truyền lên và
truyền xuống với lưu lượng lần lượt là 1.5Mbps và 384 kbps.

Hình 4-7 Cấu trúc siêu khung trong chuẩn IEEE 802.22

Hình 4-8 Kết cấu 1 khung trong IEEE 802.22

-

Cảm biến kênh trong chuẩn IEEE 802.22
13


Trong hệ thống 802.22,cả BS và CPE thực hiện cảm biến kênh theo chu kì. Bởi vì cảm biến
kênh có thể ở trong khoảng băng hay ngoài khaỏng băng nên có 2 giao diện được yêu cầu tại
CPE. Một anten trực tiếp thì được sử dụng để kết nối với BS, và một anten đẳng hướng thì được
dùng để cảm biến phổ. BS hướng dẫn CPE cảm biến băng TV, và kết quả cảm biến sẽ được gửi
trở lại cho BS để xây dựng một bản đồ các phổ trống cho các tế bào mà được dùng để quản lý
phổ. Giao thức MAC cần được thiết kế để cung cấp các yêu cầu của quản lý phổ bao gồm thay
đổi kênh truyền, sự hoãn hay khôi phục kênh, sự bao gồm hay loại trừ của nhiều kênh từ một
kênh truy cập.
Để phát hiện một dịch vụ TV truyền thống, hệ thống IEEE 802.22 cung cấp máy cảm biến băng
tần thô và cảm biến tinh như hình:

Hình 4-9 Cơ chế cảm biến thô và tinh trong IEEE 802.22

Để cải thiện hệ thống cho phù hợp, Cảm biến nhanh ( hay gọi là cảm biến thô), ví dụ như cảm
biến năng lượng, thì thực hiện trong thời gian ngắn để giảm sự gián đoạn trong truyền dữ liệu.
Kết quả của sự cảm biến này được sử dụng để phân tích hoạt động của kênh truyền. Nếu có một
năng lượng truyền dẫn được phát hiện, thì hệ thống cảm biến tinh sẽ hoạt động. Giải thuật của

cảm biến tinh này sẽ tốn thời gian để xác định các tín hiệu từ dịch vụ nguồn. Cả 2 phương pháp
cảm biến thô và tinh này đều đáp ứng được yêu cầu của chuẩn IEEE 802.22. Đặc biệt, tín hiệu
TV số với công suất ngưỡng là -116 dBm cũng được phát hiện với xác suất phát hiện gần 0.9( giá
trị lớn nhất của xác suất báo sai là 0.1). Hệ thống dịch vụ thì cần được phát hiện trong vòng
không quá 2 giây sau khi dịch vụ này bắt đầu truyền dữ liệu.

14


Chương 2 : Các kĩ thuật cơ bản trong mạng vô tuyến nhận
thức
5. Cảm biến phổ ( spectrum sensing)
Trước hết ta tìm hiểu về sự phát hiện tín hiệu nhờ vào cảm biến phổ. Rõ ràng, việc cảm biến phổ
là nhiệm vụ thiết yếu của mạng vô tuyến nhận thức, nó cho phép người dùng thứ 2 có thể phát
hiện ra khoảng phổ trống và có cơ hội để tận dụng những khoảng tần số này mà không ảnh
hưởng gì đến hệ thống trên. Và vấn đề cảm biến phổ này được trình bày như sau:
Để phát hiện 1 tín hiệu nằm trong dải băng thông B biết trước, ta có thể thử đặt vấn đề về giả
thiết như sau:

Ở đây:
+ H0 thể hiện sự không tồn tại của tín hiệu, tức là ,tín hiệu nhận được x(n) chứa đựng chỉ là
nhiễu Gauss trắng cộng tính (AWGN) , v(n) ∼ CN(0,σV2 ).
+ H1 thể hiện cho sự có mặt của tín hiệu, tức là tín hiệu nhận được x(n) gồm 1 tín hiệu sơ cấp
S(n) cộng với nhiễu v(n).
+ N tương ứng tới số lần lấy mẫu.
Cảm biến phổ sử dụng các phương pháp xử lí tín hiệu thu được để đưa ra quyết định về dải tần
số đang quan sát là trống hay là có xuất hiện tín hiệu PU. Đây là kĩ thuật quan trọng bởi vì nó
ảnh hưởng lớn đến quyết định sử dụng hay không sử dụng dải tần số đang quan sát. Mạng CR
cần dựa vào các điều kiện của môi trường để có thể cảm biến được dải phổ thích hợp,qua đó đưa
ra quyết định chính xác về việc sử dụng dải phổ nào để ko gây ảnh hưởng đến primary user.

Trong hệ thống CR có thể chia cảm biến phổ ra làm 2 loại:
15


-

Occupancy sensing (cảm biến sự chiếm giữ phổ): phát hiện sự chiếm giữ phổ trong khu vực
lân cận,qua đó xác định được dải phổ nào đang trống(white spaces) hoặc đang ở dưới mức
sử dụng(gray spaces).Một ví dụ về Occupancy sensing là bộ phát hiện dựa vào năng lượng
(Energy_based detection).

-

Identity sensing (cảm biến các đặc trưng): phân biệt được dải phổ đang bị chiếm giữ bởi

primary user hay là đang bị chiếm giữ bởi một CR user khác.Điều này đặc biệt quan trọng đối
với môi trường có nhiều CR user,khi đó white space phải được chia sẻ cho nhiều user.Một ví dụ
về Identity sensing là cảm biến dựa vào đặc điểm( featurebased detection).

6. Quản lí phổ
Trong mạng CR, băng tần phổ vô tuyến không sử dụng sẽ được trải trong khoảng tần số rộng bao
gồm phổ cấp phép và phổ không phép. Việc phát hiện những phổ không sử dụng này thông qua
cảm biến phổ. Hệ thống vô tuyến nhận thức sẽ phải quyết định phổ tốt nhất đáp ứng yêu cầu QoS
trong số những phổ sẵn có. Đó cũng chính là lí do hệ thống đòi hỏi phải có kĩ thuật quản lí phổ.
Kĩ thuật quản lý phổ gồm có :
-

Phân tích phổ
Quyết định phổ

. Trong khi cảm biến phổ nằm ở lớp vật lí thì phân tích phổ và quyết định phổ lại nằm ở lớp cao
hơn.

7. Linh động phổ
Mục đích của hệ thống CR là sử dụng phổ tần số theo cách thức động, có nghĩa là hệ thống CR
sẽ tìm kiếm và hoạt động tại băng tần số tốt nhất. Để tìm được những khoảng phổ trống tốt nhất
thì hệ thống CR phải thu thập các khoảng phổ trống này. Vì thế, sự linh động phổ (spectrum
mobility) được định nghĩa như là 1 cách thức mà người dùng trong hệ thống CR có thể thay đổi
tần số hoạt động.
Trong hệ thống CR, sự linh động phổ được thực hiện khi mà các điều kiện của kênh truyền trở
nên xấu đi hay có sự xuất hiện của tín hiệu PU. Sự linh động phổ sẽ tăng thêm các loại chồng
phổ trong hệ thống CR và đó chính là mục đích của sự chồng phổ. Các giao thức từ nhiều lớp

16


khác nhau trong hệ thống mạng cần phải được thích nghi với các hệ số kênh truyền của tần số
đang hoạt động .
Ngay tại thời điểm bắt đầu của quá trình này, hệ thống CR cần phải thích nghi với tần số hoạt
động, do đó,mỗi lần một máy trong CR mà thay đổi tần số hoạt động của nó thì các giao thức
mạng cũng phải thay đổi theo, chuyển sang một chế độ hoạt động khác. Mục đích của sự quản lý
linh động các phổ này trong hệ thống CR là chắc chắn rằng sự chuyển đổi tần số được thực hiện
một cách suôn sẽ ngay khi có thể để cho các ứng dụng đang chạy trong một máy CR có thể hoạt
động với chất lượng tốt nhất có thể trong suốt quá trình chồng phổ. Việc các giao thức của quá
trình quản lý linh động biết trước các thông tin trong suốt quá trình chồng phổ thì cần thiết.

8. Chia sẻ phổ
8.1. Các bước chia sẻ phổ tần
Để có cái nhìn tổng quát việc chia sẻ phổ tần trong mạng Vô tuyến thông minh chúng ta sẽ xem
xét các bước để có được sự chia sẻ phổ tần. Quá trình chia sẻ phổ tần gồm năm bước chính:

- Cảm biến phổ tần: Môt người sử dụng mạng Vô tuyến thông minh chỉ có thể chia sẻ một phần
phổ tần nếu phần phổ tần đó không được sử dụng bởi người sử dụng có giấy phép. Khi một nút
trong mạng Vô tuyến thông minh quyết định truyền trên phổ tần nào trước tiên nó phải nhận thức
được sự còn trống của phổ tần đó.
- Phân bổ phổ tần: Dựa trên các thông tin về phổ tần đã thu được từ bước 1, các nút mạng sau
đó có thể phân bổ cho một kênh. Việc phân bổ này không chỉ phụ thuộc vào khả năng của phổ
tần mà còn dựa vào các chính sách nội mạng cũng như ngoại mạng.
- Truy cập phổ tần: Sau khi có được sự phân bổ phổ tần, các mạng truy nhập Vô tuyến thông
minh tiến hành truy cập để sử dụng phổ tần. Việc truy cập phổ tần cần đảm bảo tránh sự chồng
chéo và đụng độ giữa các thiết bị.
- Bắt tay giữa các thiết bị Thu-Phát: Khi phổ tần được xác định để truyền thông, bên nhận trong
quá trình truyền được biết về phổ tần được chọn. Do đó, một giao thức bắt tay thu - phát rất cần
thiết cho thông tin trong mạng Vô tuyến thông minh. Bắt tay giữa các thiết bị góp phần đảm bảo
tốc độ tuyền dẫn. Việc bắt tay giữa các thiết bị Thu-Phát nhằm làm tăng hiệu quả sử dụng của
mạng Vô tuyến thông minh.
17


- Sử dụng phổ tần linh hoạt: Khi mà người sử dụng được cấp phép sử dụng lại phổ tần thì các
nút mạng Vô tuyến thông minh phải chuyển sang sử dụng phổ tần mới mà vẫn đảm bảo QoS.
“Sử dụng phổ tần linh hoạt” góp phần đảm bảo quá trình truyền dẫn không bị ngắt quãng.
8.2. Các phương pháp chia sẻ phổ tần
Trong mạng Vô tuyến nhận thức, khó khăn chính khi sử dụng phổ tần mở là việc chia sẻ phổ
tần. Không giống như cảm nhận 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 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 thông minh; người
dùng cấp phép và việc quản lý các băng thông không liên tục có sẵn. Có nhiều cách phân loại các
công nghệ chia sẻ phổ, như dựa trên kiến trúc, dựa trên cách thức cấp phát phổ tần và dựa trên
các công nghệ truy nhập phổ:

-

Kiến trúc :
+,Tập trung
+,Phân tán
Cách cấp phát phổ :
+, Hợp tác
+, Không hợp tác
Công nghệ truy cập phổ tần :
+,Overlay
+,underlay
8.2.1 Công nghệ chia sẻ phổ tần dựa trên kiến trúc

Chia sẻ phổ tần tập trung: Toàn bộ các nút trong mạng gửi thông tin cảm nhận 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.
Chia sẻ phổ tần tập trung được thể hiện như trong Hình 2, một đầu cuối được cấu hình lại đang
có nhu cầu sử dụng dịch vụ video từ một server đầu xa thông qua các mạng con liên kết. Tất cả
các mạng con được điều khiển bởi một bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC). Để thiết lập các
luồng con, các thủ tục sau cần được thực hiện:
+Bước 1: Bước báo hiệu và khởi tạo. RNC nhận một ứng dụng từ đầu cuối di động với nhiều địa
chỉ truy nhập vô tuyến. Sau khi ước tính được tài nguyên vô tuyến hiện có trong mạng con được
nó điều khiển, RNC sẽ hỏi server đầu xa về tốc độ trung bình chỉ định cho việc phân chia lưu
lượng trên mỗi kết nối con (sub-link).
18


+Bước 2: Lưu lượng được phân chia theo ứng dụng của RNC (bước 1) và được gửi đến RNC.
Các luồng con được dán nhãn khác nhau.
+Bước 3: RNC nhận được lưu lượng đã phân chia với các gói được dán nhãn để ánh xạ vào các
mạng con liên kết (ví dụ lưu lượng với nhãn ‘Vi’ tới WLAN, nhãn ‘Ai” tới UMTS, ‘i’ là chỉ số

thông báo cho RNC về mối quan hệ về thời gian giữa các luồng con). Các dịch vụ có thể được áp
dụng là: Các luồng con Video và Audio; HTTP với sự phân chia; HTTP với sự phân công của
các đối tượng chính; Khả năng mở rộng lưu lượng Video; Lưu lượng thời gian thực và tín hiệu
điều khiển của n.
+Bước 4: Kĩ thuật đồng bộ trong RNC làm giảm trễ được do mạng vô tuyến con gây ra bởi các
nguyên nhân sau:Hoạt động tự động lặp lại yêu cầu do chất lượng kết nối khác nhau; Các BTS
khác nhau có công suất xử lí khác nhau.

Hình 6-10 Chia sẻ phổ tần tập trung

19


Chia sẻ phổ tần phân tán: Giải pháp này thường được đề nghị trong trường hợp mà việc xây
dựng một cơ sở hạ tầng là không thích hợp. Ở phương pháp này, không cần một thực thể chia sẻ
phổ tần trung tâm mà nó yêu cầu các kênh điều khiển trao đổi thông tin giữa các thuê bao. Các
thuê bao sẽ tự đưa ra các quyết định sử dụng phổ tần độc lập theo khu vực nội vùng và đảm bảo
truyền dẫn tốt nhất và sử dụng ít phổ tần nhất dựa trên các thông số truyền tin. Giải pháp này cho
phép phát triển một loại mạng mới tự cấu hình như là mạng ad-hoc mà không cần bất kỳ một sự
thay đổi nào trong các hệ thống mạng đang hoạt động hiện nay.
8.2.2 Chia sẻ phổ tần dựa trên cách thức cấp phát phổ
Chia sẻ phổ tần hợp tác: Mỗi nút chia sẻ kết quả cảm nhận phổ của nó với các nút khác, sau
đó thuật toán phân bổ phổ sẽ quyết định dựa trên các thông tin này. Giải pháp này xem xét ảnh
hưởng của nút truyền với các nút khác. Nói cách khác, việc đo đạc nhiễu của từng nút được chia
sẻ cho các nút khác.
Trong hình, nút A, B, C hình thành nên một nhóm liên kết và sử dụng kênh 1 như là kênh liên
kết của nhóm. Còn nút C, D, E hình thành lên một nhóm liên kết khác sử dụng kênh 2, còn các
nút D, F và G hình thành nên nhóm thứ 3 và sử dụng kênh 3. Bằng cách tổ chức các thuê bao
theo nhóm, các bản tin liên kết được phân bổ trên nhiều kênh liên kết. Điều đó có thể giải quyết
được sự mất mát do nghẽn lưu lượng liên kết.

Hình 6-11 Chia sẻ phổ tần theo cơ chế hợp tác

20


Chia sẻ phổ tần bất hợp tác: Trái với cơ chế hợp tác, chia sẻ phổ không hợp tác có nghĩa là các
nút tự nó quyết định chia sẻ phổ.
8.2.3 Chia sẻ phổ tần dựa trên các công nghệ truy nhập

Hình 6-12 Chia sẻ phổ tần dựa trên các công nghệ truy nhập

Chia sẻ phổ tần chồng lấn(overlay): Trong phương pháp chia sẻ phổ tần chồng lấn, máy thu
phát Vô tuyến thông minh sẽ chỉ có thể truy cập vào phần phổ tần được cấp phép khi người sử
dụng được cấp phép không sử dụng phần phổ tần đó. Thực tế thì phương pháp này chính là việc
ghép kênh phân chia theo thời gian giữa người sử dụng mạng Vô tuyến thông minh và người sử
dụng được cấp phép, do vậy nhiễu tời người sử dụng được cấp phép là nhỏ nhất.
Chia sẻ phổ tần chìm dưới (Underlay): Người sử dụng mạng Vô tuyến thông minh sẽ sử dụng
các công nghệ trải phổ như CDMA (đa truy nhập phân chia theo mã) hoặc UWB (siêu di động
băng rộng) để chia sẻ băng tần với người sử dụng được cấp phép. Việc sử dụng các công nghệ
trải phổ sẽ giúp cho người sử dụng Vô tuyến thông minh có thể dùng tràn lên băng tần của người
sử dụng được cấp phép bất kể người sử dụng được cấp phép có sử dụng phổ tần đó hay
không. Một vấn đề đặt ra trong phương pháp này là người sử dụng Vô tuyến thông minh phải
kiểm soát được công suất phát của mình để tránh gây nhiễu lên người sử dụng được cấp phép.
Công nghệ chia sẻ phổ tần chìm thường được áp dụng đối với các mạng tổ ong và được minh
họa :
21


Chương 3: Lắp đặt triển khai cấu hình mạng vô tuyến nhận

thức
9. Một số ưu, nhược điểm của mạng vô tuyến nhận thức
9.1. Ưu điểm
Trong bối cảnh khan hiếm phổ tần và nguy cơ bị chồng lấn phổ giữa các mạng vô tuyến, vô
tuyến nhận thức đang được nghiên cứu và được ứng dụng trong hầu hết các mạng vô tuyến hiện
nay như: WLAN (IEEE 802.11 a/g/h/n), WPAN (IEEE 802.15.x UWB, Bluetooth), WMAN
(IEEE 802.16 Wimax, MMDS), WRAN
9.1.1 Mạng truy nhập vô tuyến cá nhân (Wireless Personal Area Network - WPAN)
Công nghệ truyền thông băng siêu rộng UWB là một ví dụ điển hình của mạng WPAN áp dụng
vô tuyến nhận thức. Thực tế, độ rộng băng tần của UWB được phép mở rộng đến 7,5 GHz (từ
3,1 GHz đến 10,6 GHz) với mức công suất nhỏ hơn -41 dBm và đựợc phép truyền ở nhiều băng
tần đã được cấp phép (ví dụ như GPS, radar, vệ tinh). Mặc dù, mức công suất của tín hiệu UWB
được qui định dưới mức tạp âm nền của các hệ thống vô tuyến nhưng rất nhiều nghiên cứu, tranh
luận cho rằng khi hoạt động, hệ thống UWB có thể làm nâng nền tạp âm và dẫn đến gây suy
thoái hiệu năng của các hệ thống vô tuyến hoạt động ở trong cùng băng tần.

22


Đối với hệ thống UWB trong nhà, khả năng gây nhiễu vào các hệ thống ngoài trời là rất
thấp, bởi lẽ hệ thống UWB này chỉ hoạt động trong vùng phạm vi hẹp (cỡ vài mét). Tuy nhiên,
các hệ thống UWB ngoài trời sẽ gây nhiễu lên các hệ thống chính đang hoạt động ở cùng băng
tần.
* Tồn tại hai loại nhiễu chủ yếu khi triển khai hệ thống UWB:
- Nhiễu của tín hiệu UWB lên các hệ thống vô tuyến được cấp phép trong cùng băng tần.
- Nhiễu tương hỗ giữa các hệ thống không được cấp phép với nhau, trong đó có UWB (các
hệ thống đó có thể là WLAN, thiết bị Bluetooth).

* Vô tuyến thông minh cho phép hệ thống UWB khắc phục được hai loại nhiễu trên.
- Đối với loại nhiễu thứ nhất, không thể dựa vào cơ chế cùng phân chia phổ tần khi mà các

hệ thống không dùng công nghệ UWB. Do đó không thể có cơ chế hợp tác giữa các hệ thống
trong việc phân chia phổ tần. Việc sử dụng vô tuyến thông minh trong các thiết bị UWB sẽ phát
hiện được có hay không sự chiếm dụng phổ tần bởi các hệ thống được cấp phép để tránh xuyên
nhiễu vào quá trình hoạt động của hệ thống đó.
- Đối với loại nhiễu thứ hai, nhiễu tương hỗ giữa các hệ thống không được cấp phép,
chẳng hạn mạng WPAN và Bluetooth WiFi đồng thời hoạt động. Một khi, áp dụng công nghệ vô
tuyến nhận thức, sẽ đạt được hiệu năng tối ưu, khi này tạo thành mạng thông minh hoạt động với
cơ chế hợp tác. Trường hợp này, có thể khai thác được hết các tính năng của vô tuyến nhận thức.
9.1.2 Mạng truy nhập vô tuyến nội hạt (Wireless Local Area Network - WLAN)
WLAN với chuẩn IEEE 802.11h, một phiên bản mới của chuẩn IEEE 801.11a, được đưa ra nhằm
giảm xuyên nhiễu tới các hệ thống được cấp phép đang hoạt động ở cùng băng tần. Chuẩn IEEE
802.11h được xem như là chuẩn bổ sung của IEEE 802.11a với các cơ chế mới như: lựa chọn tần
số động (DFS) và điều khiển công suất phát (TPC), đó là hai chức năng quan trọng của vô tuyến
nhận thức.

Chức năng DSF cho phép phát hiện các thiết bị khác hoạt động trong cùng băng tần vô
tuyến, và nếu cần, nó sẽ chuyển WLAN sang hoạt động băng tần khác. TPC cho phép giảm
xuyên nhiễu của WLAN lên các dịch vụ vệ tinh bằng cách giảm công suất phát. TPC cũng được
23


dùng để khống chế, kiểm soát công suất tiêu thụ cũng như phạm vi vùng phủ giữa trạm truy nhập
AP và thiết bị vô tuyến.
Ngoài ra, ứng dụng vô tuyến nhận thức trong WLAN còn giúp các chuẩn trong WLAN như
802.11b/g/a tăng cường bảo mật. Vô tuyến nhận thức cho phép thiết bị WLAN đo kiểm môi
trường vô tuyến và chiếm dụng phổ tần một cách thích ứng khi cần thiết để tránh gây xuyên
nhiễu. Các giải pháp tích hợp phần mềm bảo mật cho phép các trạm truy nhập AP của WLAN
tăng cường bảo mật và tối ưu hiệu năng. Nó cho phép WLAN có được tính năng quan trắc môi
trường vô tuyến ở cả 2 dải tần hoạt động 2.4 GHz và 5 GHz mà không gián đoạn thông tin. Quét
liên tục trên cả 2 dải băng tần IEEE 802.11 và băng tần hoạt động của các thiết bị khác, cho phép

phát hiện sớm kẻ thâm nhập trái phép. Chi tiết hóa từ công nghệ vô tuyến nhận thức, người quản
trị mạng có thể đưa ra các biện pháp phòng ngừa.
9.2. Nhược điểm
Xét về lĩnh vực mạng, ta cũng có một số thách thức cho vô tuyến nhận thức như xác định và duy
trì đường định tuyến tối ưu, quản lí mạng hiệu quả, thiết lập kênh điều khiển tương thích. Sự linh
động của người dùng phổ không phép cũng tạo nên thách thức cho việc cấu hình mạng động.
Độ phức tạp của phần cứng cũng tăng lên cùng với khả năng thông minh của vô tuyến nhận
thức.Vì vậy, khả năng và độ phức tạp của phần cứng trong hiện tại và tương lai là thách thức để
có thể biến các ứng dụng vô tuyến nhận thức thành hiện thực. SDR có lẽ chỉ là bước đầu tiên
trong quá trình giải quyết vấn đề này. Để có thể thực hiện kết nối ở bất kì nơi đâu, thiết bị của vô
tuyến nhận thức cần tuân theo một cách tự động với chính sách và qui định thay đổi theo từng
vùng địa lí.

10. Lắp đặt/Triển khai cấu hình thực tế của mạng vô tuyến nhận thức
(WLAN)
-

Lắp đặt mạng WLAN cho 1 địa điểm như quán cà phê , khu trọ sinh viên … Loại thiết bị
khách hàng hay sử dụng là điện thoại có hỗ trợ wifi chuẩn b/g, Laptop chuẩn b/g/n..

24


10.1. Lắp đặt thiết bị router (Router ADSL D-LINK 5268)
Đầu tiên, ta thực hiện kết nối đường line từ nhà cung cấp vào bộ tách tín hiệu, sau đó kết nối
đường line ở cổng ra của bộ tách tín hiệu cổng số 2 có tên router, cuối cùng ta kết nối dây cáp từ
máy tính vào cổng LAN của router và khởi động router. Thực hiện các bước như sau:

25