Nâng Cao Hiệu Năng Mạng Thứ Cấp Trong Vô Tuyến Nhận Thức Dạng Nền Với Sự Xuất Hiện Của Nút Nghe Lén Thứ Cấp (LV thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

DƯƠNG HUỲNH QUANG PHÚC

NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG THỨ CẤP
TRONG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN
VỚI SỰ XUẤT HIỆN CỦA NÚT NGHE LÉN THỨ CẤP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2017


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

DƯƠNG HUỲNH QUANG PHÚC

NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG THỨ CẤP
TRONG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN
VỚI SỰ XUẤT HIỆN CỦA NÚT NGHE LÉN THỨ CẤP
Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số: 60.52.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN TRUNG DUY

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2017

i

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.
TP.HCM, ngày 19 tháng 05 năm 2017
Học viên thực hiện luận văn

Dương Huỳnh Quang Phúc


ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS. Trần Trung
Duy đã hướng dẫn tận tình, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Thầy
đã trang bị cho em những kiến thức vô cùng quý báu để em có thể vững tin bước tiếp
trên con đường của mình.
Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô – Học Viện Công Nghệ Bưu Chính
Viễn Thông cơ sở tại TP.HCM đã giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức
quan trọng trong suốt thời gian học tập tại Học Viện.
Bên cạnh đó em xin cảm ơn các quý anh chị và các bạn khóa cao học 20152017 đã động viên, tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa học.
TP.HCM, ngày 19 tháng 05 năm 2017
Học viên thực hiện luận văn

Dương Huỳnh Quang Phúc

iii

MỤC LỤC
Lời cam đoan ................................................................................................................ i
Lời cảm ơn ..................................................................................................................ii
Mục lục ...................................................................................................................... iii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ....................................................................... v
Danh mục các hình ..................................................................................................... vi
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
Chương 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN ................................................................. 3
1.1 Mạng vô tuyến nhận thức ................................................................................... 3
1.1.1 Khái niệm chung về vô tuyến nhận thức...................................................... 3
1.1.2 Các mô hình trong vô tuyến nhận thức ........................................................ 5
1.1.3 Các kỹ thuật được sử dụng trong vô tuyến nhận thức ................................. 6
1.1.3.1 Phương pháp thăm dò phổ (spectrum sensing) ....................................... 7
1.1.3.2 Phương pháp thăm dò năng lượng (energy detection) .......................... 11
1.1.3.3 Kỹ thuật chia sẻ phổ tần overlay (spectrum overlay) ........................... 16
1.1.3.4 Kỹ thuật chia sẻ phổ tần underlay (spectrum underlay) ....................... 17
1.2 Bảo mật lớp vật lý ............................................................................................ 18
1.2.1 Khái niệm và ưu điểm của bảo mật lớp vật lý ........................................... 18
1.2.2 Các phương pháp chuyển tiếp được sử dụng trong bảo mật lớp vật lý ..... 20
1.2.2.1 Khuếch đại và chuyển tiếp af (amplify-and-forward) ........................... 21
1.2.2.2 Giải mã và chuyển tiếp df (decode-and-forward) ................................. 21
1.2.2.3 Ngẫu nhiên và chuyển tiếp rf (randomize-and-forward) ...................... 22
1.3 Lý do chọn đề tài .............................................................................................. 22
1.4 Cấu trúc của luận văn ....................................................................................... 24
Chương 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG ......................................................................... 25
2.1 Mô hình nghiên cứu ......................................................................................... 25
Chương 3 - ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG ............................................... 35

3.1. Xác suất dừng (op) .......................................................................................... 35


iv

3.2. Xác suất nút nghe lén giải mã thành công dữ liệu nhận được (xác suất chặn
(IP)) ........................................................................................................................ 42
Chương 4 - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ LÝ THUYẾT.......................................... 44
4.1. Môi trường mô phỏng ..................................................................................... 44
4.2. Ký hiệu trên các hình vẽ.................................................................................. 45
4.3 Kết quả và biện luận các kết quả...................................................................... 45
4.4 So sánh xác suất dừng của trường hợp 1 và trường hợp 2..................................54
4.5 Kết luận.............................................................................................................55
Chương 5 - KẾT LUẬN............................................................................................ 56
5.1 Kết luận ............................................................................................................ 56
5.2 Các kết quả đạt được ........................................................................................ 56
5.3 Hướng phát triển đề tài..................................................................................... 57
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 58


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AF

Amplify and Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

BS

Base Station

Trạm gốc

CDF

Cumulative Distribution Function

Hàm phân bố tích lũy

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh
truyền

DF

Decode-and-Forward

Giải mã và chuyển tiếp

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

SOP

Secrecy Outage Probability

Xác suất dừng bảo mật

Time Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo thời

TDMA

gian
RF

Randomize-and-Forward

Ngẫu nhiên-và-chuyển tiếp


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Các khoảng phổ có thể sử dụng được biểu diễn trên miền thời gian và
miền tần số. .......................................................................................................... 4
Hình 1.2: Những khoảng truy cập động được biểu diễn trên miền thời gian và
miền tần số. .......................................................................................................... 5
Hình 1.3: Sử dụng phổ tần của ba mô hình chính trong vô tuyến nhận thức. ..... 6
Hình 1.4: Chu kỳ cảm biến Tp và ảnh hưởng đến người dùng sơ cấp. ............... 7
Hình 1.5: Khoảng cách cho phép để người dùng thứ cấp có thể cùng phát trên
một phổ tần với người dùng sơ cấp. .................................................................... 8
Hình 1.6: Sự kết hợp giữa các người dùng thứ cấp với nhau. ........................... 10
Hình 1.7: Phương pháp chia sẻ phổ tần ............................................................. 11
Hình 1.8: Những khoảng phổ trống được biểu diễn trong cả miền thời gian và
tần số. ................................................................................................................. 12
Hình 1.9: Chia sẻ phổ tần dựa trên các công nghệ truy nhập. ........................... 16
Hình 1.10: Chia sẻ phổ tần dựa trên kỹ thuật Overlay. ..................................... 17
Hình 1.11: Chia sẻ phổ tần dựa trên kỹ thuật Underlay. ................................... 18
Hình 1.12: Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản .................................................. 20
Hình 2.1: Mô hình được nghiên cứu trong luận văn. ........................................ 25
Hiǹ h 4.1: Môi trường mô phỏng. ....................................................................... 44
Hình 4.2: Xác suất dừng (OP) là hàm số của I th (dB) khi M  1,3,5 ,
I th   10dB,15dB ,  th  0.75, xR  0.3, xP  0.5, yP  0.5, yE  0.3,  D  0.1,
 E  0.1 và  P  0. .............................................................................................. 46

Hình 4.3: Xác suất dừng (OP) là hàm số của M

khi M  1,10 , I th  0dB,

 th  0.5, 0.75,1 , xR  0.5, xP  0.5, yP  0.5, yE  0.5,  D  0.1,  E  0.1

và

 P  0.1. ............................................................................................................. 47


vii

Hình 4.4: Xác suất dừng (OP) là hàm số của I th (dB) khi M  2, 4 ,
I th   10dB,15dB ,  th  1, xR  0.7, xP  0.5, yP  0.5, yE  0.3,  D  0.15,
 E  0.15 và  P  0.1. ........................................................................................ 48

Hình 4.5: Xác suất dừng (OP) là hàm số của I th (dB) khi M  2,3, 4 ,
I th   5dB,15dB ,  th  0.5, xR  0.4, xP  0.5, yP  0.5, yE  0.3,  D  0.08,

 E  0.08,  P  0.05 và  IP  0.3 . ....................................................................... 49

Hình 4.6: Xác suất dừng (OP) là hàm số của xR khi M  3, Ith  2.5dB,  th  1,
xR   0.1, 0.9 , xP  0.5, yP  0.5, yE  0.3,  D  0,  E  0,

P  0

và

 IP  0.2, 0.3, 0.4 . ................................................................................................. 50

Hình 4.7: Xác suất dừng (OP) là hàm số của  IP khi M  3, I th  5dB,  th  1,
xR  0.5, xP  0.5, yP  0.5, yE  0.1, 0.2, 0.3 ,  D  0,  E  0,

P  0

và

 IP   0.1,0.9 . ................................................................................................... 51
Hình 4.8: Xác suất dừng (OP) là hàm số của I th (dB) khi M  1, 2, 6 ,
I th   0dB,15dB ,  th  1,

xR  0.4,

xP  0.5,

yP  0.5,

yE  0.2,

 D  0.08,

 E  0.08 và  P  0.05 . ....................................................................................... 53

Hình 4.9: Xác suất chặn (IP) là hàm số của I th (dB) khi M  1, 2, 6 ,
I th   0dB,15dB ,  th  1,

xR  0.4,

xP  0.5,

yP  0.5,

yE  0.2,

 D  0.08,

 E  0.08 và  P  0.05 . ....................................................................................... 54

Hình 4.10: So sánh xác suất dừng của trường hợp 1 và trường hợp 2 khi M  3,
I th   10dB,15dB ,  th  0.75, xR  0.3, xP  0.5, yP  0.5, yE  0.3,  D  0.1,

 E  0.1 và  P  0. ..............................................................................................54


1

MỞ ĐẦU
Ngày này, tốc độ phát triển của truyền thông vô tuyến tăng trưởng nhanh
chóng. Nó có thể phục vụ số lượng lớn các thiết bị thông minh. Hơn thế nữa, ngay cả
các điện thoại thông minh có thể tiêu thụ băng thông nhiều hơn các thiết bị điện thoại
truyền thống. Cùng với sự phát triển ngày càng nhanh của công nghệ, bài toán về
phân bổ phổ tần số một cách hiệu quả đã và đang trở thành một vấn đề thiết yếu. Để
giải quyết vấn đề cạn kiệt nguồn tài nguyên, khái niệm vô tuyến nhận thức ra đời.
Trong vô tuyến nhận thức, có hai loại người dùng được phân cấp là người
dùng sơ cấp và người dùng thứ cấp. Gần đây, người ta đề nghị mô hình Underlay để
giải quyết vấn đề sử dụng phổ liên tục cho người dùng thứ cấp. Trong mô hình
Underlay hay còn gọi là mô hình dạng nền, người dùng thứ cấp có thể sử dụng tần số
cùng lúc với người dùng sơ cấp, miễn là can nhiễu tạo ra từ những hoạt động của
người dùng thứ cấp đến người dùng sơ cấp phải nhỏ hơn một mức giới hạn cho phép.
Để tăng cường hoạt động của mô hình này, người ta sử dụng giao thức truyền thông
hợp tác để chống lại vấn đề giới hạn công suất truyền, cũng như vấn đề fading của
kênh truyền.
Trong truyền thông hợp tác, một số nút chuyển tiếp nằm giữa nút nguồn và
nút đích giúp nút nguồn chuyển tiếp dữ liệu đến nút đích. Việc truyền dữ liệu từ nút
nguồn đến nút đích trong hệ thống truyền thông hợp tác diễn ra trong hai khe thời
gian trực giao.
Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu liên quan đến truyền thông vô tuyến đều

giả sử rằng phần cứng của các thiết bị là hoàn hảo. Nhưng trong thực tế thì phần cứng
của các thiết bị là không hoàn hảo bởi sự nhiễu pha, sự không cân bằng I/Q và sự
không tuyến tính trong bộ khuếch đại. Sự không hoàn hảo này sẽ gây ra can nhiễu
đến các tín hiệu phát và tín hiệu thu, và vì thế sẽ ảnh hưởng đến hiệu năng của các hệ
thống vô tuyến.
Trong luận văn này, sẽ nghiên cứu vấn đề bảo mật lớp vật lý, trong đó chú
trọng đến thông số hiệu năng Intercept Probability (IP). Hơn nữa, luận văn tập trung


2

nghiên cứu mô hình chuyển tiếp trong mạng thứ cấp (Secondary Network) sử dụng
kỹ thuật truy cập dạng nền (Underlay) trong truyền thông vô tuyến nhận thức
(Cognitive Radio).
Luận văn được trình bày theo bốn chương, cụ thể như sau:


Chương 1 – Lý thuyết tổng quan



Chương 2 – Mô hình hệ thống



Chương 3 – Đánh giá hiệu năng bảo mật



Chương 4 – Kết quả mô phỏng



Chương 5 – Kết luận


3

CHƯƠNG 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

1.1 Mạng vô tuyến nhận thức
1.1.1 Khái niệm chung về vô tuyến nhận thức
Những năm đầu thập kỷ 90, nền khoa học thế giới nói chung và ngành viễn
thông nói riêng đã có những bước tiến đột phá lớn, khi nhà khoa học Joseph Mitola
đã phát biểu những ý tưởng đầu tiên của mình về vô tuyến và được định nghĩa bằng
phần mềm (Software Defined Radio - SDR) [1]. Sau đó thì vô tuyến này bao gồm
một tần số vô tuyến (Radio Frequency - RF) và một tunner được điều khiển bởi phần
mềm. Các tín hiệu băng gốc được đưa vào một bộ chuyển đổi tương tự - số, tại đó
được lượng tử hóa, sau đó được giải điều chế trong một thiết bị có thể tự cấu hình
như FPGA, bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor - DSP), hoặc máy tính cá
nhân (PC). Với khả năng cấu hình của sơ đồ điều chế nên nó đúng với tên gọi vô
tuyến được định nghĩa bằng phần mềm. Vào năm 1998 trong một kỳ hội thảo tại KTH
(Royal Institute of Technology - Stockholm), những ý tưởng về vô tuyến nhận thức
(CR) đã được manh nha. Và sau đó được công bố trong một bài viết của J. Mitola và
Gerald Q. Maguire, Jr. vào năm 1999. Lúc đó là một phương pháp mới trong truyền
thông vô tuyến, và được J. Mitola định nghĩa như sau:
Vô tuyến nhận thức là một bước tiến của SDR, nó có thể thiết lập các thông
số như băng tần, giao diện, giao thức vô tuyến, trong môi trường biến đổi theo không
gian và thời gian, nhằm tối ưu việc sử dụng phổ vô tuyến.
Kế đến, viện các kỹ sư điện, điện tử Hoa Kỳ (IEEE) đã định nghĩa vô tuyến

nhận thức như sau:
Vô tuyến nhận thức là một hệ thống thu/phát được thiết kế để phát hiện
nhạy bén các khoảng phổ trống của phổ vô tuyến và nhảy vào (hoặc thoát ra nếu cần
thiết) các khoảng phổ này, mà không làm ảnh hưởng, gây nhiễu cho các hệ thống
được cấp phép khác.
Đây là một công nghệ rất tiềm năng trong chính sách quy hoạch tần số tĩnh
hiện nay, công nghệ giúp tận dụng các tần số nhàn rỗi không được sử dụng đến bởi


4

người dùng sơ cấp, tăng cao hiệu suất sử dụng phổ tần của mạng vô tuyến. Qua các
định nghĩa cốt lõi trên ta có thể tóm tắt lại:
Vô tuyến nhận thức là một hệ thống có khả năng thay đổi các thông số
truyền, dựa vào thực tế và tương tác môi trường xung quanh.
Về bản chất các CR là các SDR với trí tuệ nhân tạo, có khả năng cảm nhận
và phản ứng với môi trường. Từ đó cấp phát tài nguyên vô tuyến và các dịch vụ không
dây phù hợp với nhu cầu sử dụng. Công nghệ mới này dựa trên một nền tảng thông
minh giúp cho việc cấp phát phổ tối ưu hơn, làm tăng thêm đáng kể lượng phổ hiện
có của các nhà cung cấp dịch vụ, vận hành mạng.

Hình 1.1: Các khoảng phổ có thể sử dụng được biểu diễn trên miền thời gian và
miền tần số

Vô tuyến nhận thức được nghiên cứu để cho phép một đầu cuối vô tuyến
có thể cảm nhận và sử dụng bất kỳ phổ tần số vô tuyến nào có trong thời điểm hiện
tại, nhảy vào sử dụng vùng phổ rỗi và thoát ra ngay khi vùng phổ này cần sử dụng.


5

Hình 1.2: Những khoảng truy cập động được biểu diễn trên miền thời gian và
miền tần số

1.1.2 Các mô hình trong vô tuyến nhận thức
Vô tuyến nhận thức là công nghệ cho phép tận dụng các khoảng tần số nhàn
rỗi tạo ra do chính sách quy hoạch tần số tĩnh. Hiện nay, công nghệ vô tuyến nhận
thức đang thu hút mạnh mẽ sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học khắp nơi trên thế
giới. Các nút mạng sử dụng công nghệ vô tuyến nhận thức có khả năng hoạt động
song song với mạng sơ cấp (Primary Networks) (là mạng có bản quyền sử dụng tần
số) với điều kiện ràng buộc là hoạt động truyền phát dữ liệu của mạng thứ cấp
(Secondary Networks) không gây can nhiễu cho mạng sơ cấp.
Hiện nay có ba phương pháp chính để thiết kế mạng vô tuyến nhận thức đó
là: Interweave [2], Overlay [3] và Underlay [4]. Trong ba phương pháp này thì
phương pháp Underlay nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học nghiên
cứu gần đây khi mà ưu điểm của nó là cho phép các mạng sơ cấp và mạng thứ cấp có
thể tiến hành song song hai hoạt động truyền và phát.
Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là để đảm bảo điều kiện can
nhiễu nhận được tại phía máy thu sơ cấp, công suất phát của các máy phát thứ cấp
phải được điều chỉnh phụ thuộc vào độ lợi kênh truyền can nhiễu và kết quả là vùng
phủ sóng của mạng thứ cấp bị giới hạn.


6

Hình 1.3: Sử dụng phổ tần của ba mô hình chính trong vô tuyến nhận thức

1.1.3 Các kỹ thuật được sử dụng trong vô tuyến nhận thức
Vô tuyến nhận thức ra đời giúp cho việc quản lý phổ tần tối ưu hơn, giải
quyết được những hạn chế trong phương pháp quản lý trước đó. Công nghệ truy nhập

phổ tần động giúp vô tuyến nhận thức hoạt động trên phổ tần có sẵn tốt nhất. Vô
tuyến nhận thức có các tính năng quan trọng sau đây:


Điều khiển công suất: được sử dụng cho cả truy cập phổ cơ hội và chia

sẻ phổ trong hệ thống CR, để tìm các mức sụt SNR, hỗ trợ cho việc sắp đặt kênh cũng
như hạn chế công suất nhiễu nhằm bảo vệ cho người dùng sơ cấp.


Spectrum Sensing (SS): phát hiện các phần phổ sẵn có (chưa được sử

dụng) và chia sẻ nó mà không làm ảnh hưởng đến những người sử dụng khác, đây là
một yêu cầu quan trọng của mạng CR để cảm nhận được vùng phổ trống. Tìm kiếm
những người dùng sơ cấp là phương pháp hiệu quả nhất để tìm ra vùng phổ trống.


Wideband Spectrum Sensing (WSS): về cơ bản là giống với SS trên

một vùng phổ rộng, điển hình như một vùng phổ hàng trăm MHz hoặc vài GHz. Hiện
tại thì công nghệ truy cập phổ tần động không hỗ trợ tỷ lệ lấy mẫu cao, hiệu quả,
WSS yêu cầu một công nghệ mang tính cách mạng hơn, ví dụ như: Compressive
Sensing và sub-Nyquist sampling.


Quản lý phổ: lựa chọn phổ có sẵn tốt nhất.


7



Linh động phổ: CR sử dụng công nghệ truy cập phổ tần động, điều đó

có nghĩa là CR phải hoạt động trên băng tần tốt nhất, để tìm được các khoảng phổ
trống tốt nhất, CR cần phải thu thập các khoảng phổ trống lại.


Chia sẻ phổ: khi CR hoạt động trong môi trường có nhiều CR khác thì

yêu cầu nó phải chia sẻ các cùng phổ trống với những người dùng khác. Có 5 bước
để thực hiện chia sẻ phổ là: spectrum sensing, phân bố phổ tần số, truy cập phổ, kết
nối thu phát và sự linh động phổ.

1.1.3.1 Phương pháp thăm dò phổ (Spectrum Sensing)
Được hiểu đơn giản là một thuật toán tính toán lượng phổ, nhiễu trong một
dải phổ. Các thông số trong thuật toán đó gồm: thời gian, không gian, tần số, mã hóa.
Nó còn có thể xác định được các loại tín hiệu chiếm giữ phổ, điều chế, dạng sóng,
băng thông …
Theo đó các người dùng không được cấp phép phải cảm biến phổ tần định
kỳ. Ví dụ là sau mỗi khoảng thời gian Tp. Nếu như khoảng phổ đó được xác định là
đang rỗi thì người dùng này sẽ được cấp phép truy cập và sử dụng khoảng phổ [2].

Hình 1.4: Chu kỳ cảm biến Tp và ảnh hưởng đến người dùng sơ cấp

Tuy nhiên, trong suốt thời gian sử dụng, người sử dụng thứ cấp này không
được thông báo về việc truy cập sử dụng lại khoảng phổ của người dùng sơ cấp, do
đó nếu như người dùng sơ cấp truy cập vào khoảng cách giữa 2 Tp thì sẽ có tranh
chấp xảy ra, và hiển nhiên người sử dụng sơ cấp sẽ bị nhiễu. Vậy nên hiệu suất chất
lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS) của cả người dùng sơ cấp và thứ cấp sẽ

được dựa trên chu kỳ cảm biến Tp này, nếu khoảng Tp này lớn thì thời gian có thể
xảy ra nhiễu cho người dùng sơ cấp cũng tỷ lệ thuận.


8

Ví dụ trên hình cho ta thấy, khoảng Tp là 10 ms, đây cũng là khoảng thời
gian mà người dùng sơ cấp bị người dùng thứ cấp chiếm giữ phổ dài nhất. Để đảm
bảo sự cân bằng, khoảng Tp càng thấp thì khoảng thời gian bị nhiễu càng thấp, và
đương nhiên khoảng Tp này sẽ được giảm ở phía người dùng thứ cấp. Tùy thuộc vào
độ can nhiễu giới hạn ở máy thu của người dùng sơ cấp, mà cả người dùng thứ cấp
và sơ cấp có thể truyền dữ liệu của họ cùng một lúc. Phạm vi can nhiễu được định
nghĩa là khoảng cách nhỏ nhất mà máy phát của người dùng thứ cấp phải cách xa để
nó không gây nhiễu (ở mức có thể chấp nhận được) đến nguồn thu của người dùng
thứ cấp.

Hình 1.5: Khoảng cách cho phép để người dùng thứ cấp có thể cùng phát trên một
phổ tần với người dùng sơ cấp

Khoảng cách đó dựa vào các tiêu chí sau:


Kênh không chắc chắn: kênh không chắc chắn phát sinh do biến động

trong kênh fading và shadowing có điều kiện. Tín hiệu năng lượng nhận được từ một
máy phát sơ cấp có thể thấp hơn so với độ nhạy cảm biến, tùy vào "deep fade" khi
mà máy thu thứ cấp ở trong phạm vi can nhiễu của một người dùng thứ cấp.
 Nhiễu không chắc chắn: để tính toán độ nhạy cảm biến của một người
dùng thứ cấp, thì công suất nhiễu là cần thiết, tuy thông thường không được tính đến.
Sự không chắc chắn trong công suất nhiễu này sẽ ảnh hưởng đến việc ước lượng độ

nhạy cảm biến, đặc biệt là trong trường hợp cảm biến phổ thông qua một máy dò tìm
năng lượng, vì phương pháp này không thể phân biệt được giữa tín hiệu từ một người


9

dùng sơ cấp và các tín hiệu nhiễu, nên ngoài phương pháp này còn có phương pháp
cảm biến phổ dựa theo đặc điểm tính năng, phương pháp này không ảnh hưởng
nghiêm trọng bởi nhiễu không chắc chắn này.
 Tổng hợp của can nhiễu không chắc chắn: khi có nhiều người sử dụng thứ
cấp trong cùng một mạng vô tuyến nhận thức, họ có thể gây nhiễu cho chính họ. Vì
số lượng người dùng thứ cấp và các thông số truyền của họ không được biết, nên sự
ước tính của độ can nhiễu do các người dùng thứ cấp gây nên trở thành một thách
thức. Đặc biệt, một người dùng thứ cấp có thể không cảm biến được sự truyền từ một
người dùng sơ cấp gần đó do sự can nhiễu gây ra bởi người dùng thứ cấp khác. Mô
hình can nhiễu tổng hợp này sẽ hữu ích để diễn tả các ảnh hưởng của các thông số
mạng (số lượng, vị trí, công suất phát, chi tiết và quảng bá của người sử dụng) trên
hiệu suất của mạng vô tuyến nhận thức.
Trong hệ thống vô tuyến nhận thức có 2 loại cảm biến phổ tần là:
 Cảm biến sự chiếm giữ phổ: phát hiện ra những vùng phổ bị chiếm giữ từ
đó xác định được những dải phổ trống hoặc đang được sử dụng. Bộ phát hiện dựa vào
năng lượng là một điển hình cho phương pháp này, do bản thân CR không có nhiều
thông tin về tín hiệu sơ cấp nên việc sử dụng phương pháp này rất hiệu quả, tuy nhiên
trong điều kiện SNR thấp thì phương pháp này bộc lộ yếu điểm, xác suất phát hiện
vùng trống thấp. Do đó ta còn gọi loại này là cảm biến phổ dựa theo năng lượng.
 Cảm biến các đặc trưng: phân biệt được dải phổ đang được sử dụng bởi
người dùng sơ cấp, hay là một người dùng thứ cấp khác. Điển hình cho phương pháp
này là bộ cảm biến dựa vào các đặc điểm hiệu quả trong điều kiện SNR thấp, xác suất
phát hiện khoảng trống cao.
Để giảm thiểu những tác động gây ra của những vấn đề không chắc chắn

trong cảm biến phổ tần của mạng vô tuyến nhận thức, thì có thể sử dụng sự kết hợp
trong cảm biến phổ tần. Cảm biến phổ tần kết hợp cho ra nhiều lợi ích, giúp cải thiện
khả năng cảm biến của người dùng thứ cấp. Trong trường hợp này, nhiều người sử
dụng thứ cấp hợp tác cảm biến phổ tần nhắm tới và chia sẻ các kết quả, phổ cảm biến
được với nhau. Một ưu điểm lớn của cảm biến phổ kết hợp được thể hiện ở hình 1.6


10

dưới đây. Trong hình, người dùng thứ cấp U1 có thể không cảm biến được sự truyền
từ người dùng sơ cấp L1 do kênh truyền fading. Nếu U1 bắt đầu truyền, ít sẽ can nhiễu
với sự tiếp nhận dữ liệu tại nút L2 được cấp phép. Tuy nhiên nếu người dùng thứ cấp
U2 cảm biến được và báo cáo sự hiện diện của người dùng sơ cấp L1 tới bộ phận điều
khiển, U2 có thể thông báo cho bộ phận điều khiển, thì nó sẽ trì hoãn các sự truyền
dẫn để tránh làm nhiễu đến nút L2 thứ cấp.

Hình 1.6: Sự kết hợp giữa các người dùng thứ cấp với nhau

Khi hoạt động trong một hệ thống vô tuyến nhận thức thì các người dùng
thứ cấp cần phải chia sẻ phổ tần mở. Có nhiều tiêu chí để phân loại các công nghệ
chia sẻ phổ: dựa theo kiến trúc, phương pháp cấp phát phổ tần, hay công nghệ truy
nhập phổ tần.


11

Hình 1.7: Phương pháp chia sẻ phổ tần

1.1.3.2 Phương pháp thăm dò năng lượng (Energy Detection)
Phương pháp thăm dò năng lượng (Energy Detection) là một phương pháp

cảm biến phổ để phát hiện khoảng phổ đã được đăng ký có thể sử dụng được hay
không. Theo phương pháp phát hiện bằng năng lượng này, giải thuật để đưa ra quyết
định có được sử dụng khoảng phổ đó hay không là dựa vào sự so sánh của tín hiệu
đầu ra của bộ cảm biến này với một mức ngưỡng đã xác định trước. Khó khăn ở việc
cần phải lựa chọn mức ngưỡng thích hợp ứng với các primary signals. Phương pháp
này hoạt động hiệu quả khi chỉ số SNR cao.
Giải thuật của phương pháp này thì giả sử rằng môi trường hoạt động của
tín hiệu không có hiện tượng Fading và xác suất phát hiện đúng tín hiệu, xác suất báo
hiệu sai tín hiệu lần lượt được cho bởi:

Pd  Q



 
  m, 
2
.
2 ,  và Pf  
  m



Đồng thời nó có đặc điểm như sau:


Bộ phát hiện này làm việc nhạy cảm với môi trường có công suất nhiễu

không xác định. Khi môi trường có công suất nhiễu thay đổi thì bộ phát hiện này có
thể đáp ứng ngay. Điều này gây khó khăn cho việc phát hiện.

12



Bộ phát hiện này chỉ làm nhiệm vụ phát hiện, nó không có khả năng

phân biệt được đâu là tín hiệu PU hay SU.
Bộ phát hiện bằng phương pháp năng lượng này thì đơn giản hơn so với
phương pháp matched filter, và nó có thể được thực hiện bởi các dụng cụ phân tích
tín hiệu như FFT (Fast Fourier Transform). FFT chuyển tín hiệu từ miền thời gian
sang miền tần số. Kỹ thuật này xác định công suất của tín hiệu thông qua giá trị mật
độ phổ công suất của tín hiệu đó. Nếu công suất này vượt quá giá trị ngưỡng thì điều
đó thể hiện sự có mặt của PU.

Hình 1.8: Những khoảng phổ trống được biểu diễn trong cả miền thời gian và tần số

Để có được một đánh giá chính xác về năng lượng của tín hiệu tại tần số
mà ta quan tâm, ta phải tính toán để ước lượng giá trị của tín hiệu nhận được. Điều
đó có nghĩa là việc lấy mẫu các giá trị của tín hiệu thì cần thiết để có được kết quả tốt
nhất.
Tuy nhiên, bộ phát hiện năng lượng vẫn còn được sử dụng bởi vì nó đơn
giản và nó được sử dụng làm nền tảng cho việc thiết kế những bộ phát hiện mạnh
hơn. Ngoài ra, có đề nghị rằng sử dụng nó để làm dải tần bảo vệ an toàn để đánh giá
nhiễu của băng tần PU và tăng khả năng nhận biết nhiễu chưa xác định.
Giải thuật của phương pháp này được trình bày như sau: (Theo [7])


13

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 :

0 : x  n  v  n
1 : x  n   s  n   v  n  , n=1,2,...,,

(1.1)

ở đây:


Giả thiết 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).


Giả thiết 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 với số lần lấy mẫu.
Quá trình quyết định được thực hiện như sau:
N

 x  n

2

 €  y

(1.2)

n 1

Giá trị €(y) này được so sánh với giá trị ngưỡng γ để đánh giá sự có mặt
của tín hiệu. Nếu €(y) > γ thì:


Theo giả thiết H1; nghĩa là tồn tại tín hiệu trong kênh tần số này.



Theo giả thiết H0; nghĩa là kết quả phát hiện là sai, trường hợp này là

không có tín hiệu nhưng bộ phát hiện vẫn báo có phát hiện được.
Ngược lại, nếu €(y) < γ thì không hiện diện tín hiệu trong kênh tần số này.
Trong giải thuật này, người ta đưa ra 2 định nghĩa về xác suất phát hiện đúng tín hiệu
Pd và xác suất phát hiện sai của bộ phát hiện Pf:
Pd  P  є  y    | H1  ,

(1.3)

Pfa  P  є  y    | H 0  ,

   N v2 
Pf  P  H1 | H 0   Q  2
 ,


2
N
 v


   N 2  Np
v
s
Pd  P  H1 | H1   Q 
  2 N 2  4 Np
v
s
 v

với hàm Q là xác suất của một biến ngẫu nhiên Gaus:


,



(1.4)

(1.5)


14

Q  x 

1
2





x

e 2 d .
2

(1.6)

Khi bộ phát hiện của chúng ta được yêu cầu phải thỏa mãn giá trị Pd, Pf và
giá trị tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR cho trước, khi đó số lần lấy mẫu sẽ được xác định
như sau thỏa mãn yêu cầu trên:
N  2 Q 1  Pf   Q 1  Pd  1  2SNR  SNR 2 .
2

(1.7)

Theo công thức trên, ta thấy số lần lấy mẫu N thì tỷ lệ nghịch với bình
phương của SNR. Giải thích một cách đơn giản như sau, với tín hiệu đã được đăng
ký PU mà có tỷ số SNR càng cao thì số lần lấy mẫu sẽ càng thấp mà vẫn đảm bảo
được chất lượng của bộ phát hiện. Và ngược lại, khi tỷ số SNR của tín hiệu PU thấp
thì đòi hỏi ta phải tăng giá trị của số lần lấy mẫu nếu muốn bộ phát hiện hoạt động.
Điều này hàm ý rằng bộ phát hiện bằng năng lượng không phải là lựa chọn tốt khi mà
tín hiệu có chỉ số SNR thấp. Xa hơn nữa, khi mà nhiễu trong môi trường không xác
định mà luôn thay đổi thì bộ phát hiện này được dùng với mục đích khác.

Trong phần cảm biến phổ này, ta trọng tâm vào tín hiệu năng lượng được
xây dựng trong miền tần số. Tín hiệu này được nhận dạng bởi mật độ phổ công suất.
Như vậy mật độ phổ công suất được tính như sau:
 1
P    lim  
N 
 N

N 1

 x ( n)e
n 0

2
 j n


      .


(1.8)

Để đơn giản công thức trên, chúng ta tiến hành ước lượng giá trị của mật
độ phổ công suất với số lần lấy mẫu hợp lý, khi đó thì ta có công thức tương đối đơn
giản hơn:
1
Pˆ   
N

N 1

 x ( n )e
n 0

2
 j n

,      .

(1.9)


15

Trong thực tế thì người ta tính mật độ phổ công suất dựa trên FFT với sơ
đồ giải thuật như trên, tín hiệu được đưa vào, sau khi qua bộ chuyển đổi từ tín hiệu
tương tự sang tín hiệu số, quá trình lấy mẫu sẽ được xử lý trong bộ FFT, sau đó bình
phương, lấy trung bình như công thức đã nêu trên. Cuối cùng, kết quả này sẽ được so
sánh với giá trị ngưỡng để quyết định sự có mặt của tín hiệu trong nền nhiễu hay
không. Tuy nhiên, trong bộ FFT này ta cần chú ý đến độ rộng băng thông có phù hợp
với dãi băng mà chúng ta quan tâm hay không. Đồng thời kích thước của FFT cũng
có giới hạn của nó bởi vì một FFT có kích thước lớn thì sẽ đảm bảo chất lượng của
quá trình xử lý nhưng nó lại làm tăng thời gian cảm biến.
Ưu, nhược điểm của phương pháp:


Nhược điểm:
Bộ phát hiện bằng phương pháp năng lượng này thì đơn giản hơn so với

phương pháp matched filter, và nó có thể được thực hiện bởi các dụng cụ phân tích

tín hiệu như FFT. Mặc dù bộ phát hiện này đơn giản để thực hiện nhưng bên cạnh đó
nó cũng có những hạn chế:


Tốc độ cảm biến phổ tín hiệu chậm.



Ngưỡng để thực hiện phát hiện tín hiệu lại nhạy cảm với sự thay đổi

của nhiễu trong môi trường truyền tín hiệu.


Không phân biệt được đâu là tín hiệu, đâu là nhiễu.



PU and SU không thể phân biệt được, trong khi PU thì cần được ưu tiên

trong việc sử dụng.


Ưu điểm:
Phương pháp phát hiện năng lượng này được xem là phương pháp phổ biến

và đơn giản nhất về cả khái niệm lẫn thực hiện. Một bộ phát hiện này được ví như là
một bức xạ kế, hoạt động tối ưu trong điều kiện môi trường chỉ có công suất của tín
hiệu và nhiễu. Vì vậy, tuy nó đơn giản nhưng lại chính là phần trọng tâm của quá
trình cảm biến phổ.

16

Phương pháp cảm biến dựa vào năng lượng này thường được dùng chủ yếu
để phát hiện tín hiệu với một giá trị nhiễu xác định. Sở dĩ nó được lựa chọn trong kế
hoạch cảm biến phổ của hệ thống Cognitive Radio là vì:


Nó không cần nhiều thông tin của tín hiệu do đó xử lý đơn giản.



Quá trình cài đặt, thực hiện tương đối đơn giản khi sử dụng giải thuật

FFT, giải thuật có thể cảm biến nhanh và dễ dàng phân tích với hệ thống OFDM.


Đánh giá được mật độ phổ công suất (PSD) của tín hiệu nhận được

trong vùng lân cận và sau đó thiết lập được giá trị ngưỡng dựa vào việc xác định
white spaces và gray spaces.

Hình 1.9: Chia sẻ phổ tần dựa trên các công nghệ truy nhập

Trong phạm vi của đề tài, lựa chọn nút chuyển tiếp trong vô tuyến nhận
thức trên nền đa người dùng, ta sẽ tập trung vào phương pháp chia sẻ tần số theo
phương pháp truy nhập phổ tần. Theo công nghệ truy nhập chia sẻ phổ tần có thể chia
thành công nghệ Spectrum Overlay và Spectrum Underlay.

1.1.3.3 Kỹ thuật chia sẻ phổ tần Overlay (Spectrum Overlay)

Trong kỹ thuật chia sẻ tần số Overlay, người dùng sơ cấp chia sẻ băng tần
với người dùng thứ cấp với điều kiện người dùng thứ cấp phải giúp đỡ người dùng
sơ cấp nâng cao chất lượng dịch vụ (QoS) của mạng sơ cấp. Trong mô hình này,
người dùng thứ cấp sẽ đóng vai trò là người chuyển tiếp các dữ liệu cho mạng sơ cấp.