Tìm hiểu về vô tuyến nhận thức – Cognitive Radio (CR)

Mục lục
Danh mục hình vẽ................................................................................................III
Thuật ngữ viết tắt..................................................................................................V
I. Tổng quan...........................................................................................................1
1.1. Tổng quan về vô tuyến nhận thức – Cognitive Radio (CR)........................1
1.1.1. Khái niệm..............................................................................................1
1.1.2. Mối quan hệ giữa vô tuyến thông minh và vô tuyến nhận thức............3
1.1.3. Nguyên nhân hình thành vô tuyến nhận thức........................................4
1.1.4. Chức năng..............................................................................................6
1.1.5. Đặc điểm mạng vô tuyến nhận thức......................................................6
1.2. Mô hình hệ thống của vô tuyến nhận thức..................................................7
1.2.1. Cấu trúc vật lý của mạng vô tuyến nhận thức.......................................7
1.2.2. Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức......................................10
1.2.3. Mô hình tổng thể của mạng vô tuyến nhận thức.................................12
1.2.4. Hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức............................................15
1.2.5. Các chuẩn của mạng vô tuyến nhận thức............................................17
1.2.5.1. Chuẩn IEEE SCC 41........................................................................17
1.2.5.2. Chuẩn IEEE 802.22 cho khu vực mạng không dây (Wireless Regional
Area Networks (WRANs))............................................................................20
II. Các chức năng của hệ thống vô tuyến nhận thức............................................23
2.1. Cảm biến phổ.............................................................................................23
2.1.1 Cảm biến phát hiện máy phát (phát hiện không hợp tác).....................24
2.1.2. Cảm biến dựa trên bộ lọc kết hợp.......................................................24
2.1.3. Cảm biến dựa mức năng lượng của tín hiệu........................................25
2.1.4. Cảm biến theo cơ chế hợp tác.............................................................25
2.1.5. Cảm biến dựa trên nhiễu.....................................................................26
1


2.2. Chia sẻ phổ................................................................................................27
2.2.1. Theo cấu trúc mạng.............................................................................27

2.2.2. Theo cách thức cấp phát phổ tần.........................................................27
2.2.3. Theo công nghệ truy cập.....................................................................28
2.3. Quản lý phổ...............................................................................................29
2.3.1. Phân tích phổ.......................................................................................30
2.3.2. Quyết định phổ....................................................................................31
2.4. Linh động phổ............................................................................................31
III. Vô tuyến định nghĩa mềm cho hệ thống vô tuyến nhận thức........................33
3.1. Giới thiệu...................................................................................................33
3.2. Mối quan hệ giữa SDR và CR...................................................................34
3.3. Kiến trúc SDR...........................................................................................35
3.3.1 Kiến trúc SDR lí tưởng.........................................................................35
3.3.2. Cấu trúc của một hệ thống SDR đơn giản...........................................37
IV. Ứng dụng của vô tuyến nhận thức.................................................................40
4.1. Ứng dụng thông tin không dây nhận thức.................................................40
4.1.1. Ứng dụng tối ưu hóa và nâng cao chất lượng......................................41
4.1.2. Ứng dụng trong dịch vụ của hệ thống thông tin không dây................46
Tài liệu tham khảo................................................................................................A

2


Danh mục hình vẽ
Hình 1.1. Lịch sử hình thành của vô tuyến nhận thức...................................................3
Hình 1.2. Mối quan hệ giữa vô tuyến thông minh và vô tuyến nhận thức....................4
Hình 1.3. Lỗ hoặc hố phổ..............................................................................................5
Hình 1.4. Sử dụng phổ linh động...................................................................................6
Hình 1.5. Kiến trúc vật lý của vô tuyến nhận thức........................................................8
Hình 1.6. Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức...............................................11
Hình 1.7. Minh họa sự ảnh hưởng của phạm vi truyền dẫn của người sử dụng chính
và người sử dụng phụ..................................................................................................11

Hình 1.8. Sơ đồ khối của các nút trong vô tuyến nhận thức........................................12
Hình 1.9. Mô hình kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức...............................................13
Hình 1.10. Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng tần cấp phép....................16
Hình 1.11. Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng không cấp phép...............17
Hình 1.12. Mối quan hệ giữa các thành phần IEEE SCC 41.......................................21
Hình 1.13. Cấu trúc siêu khung trong chuẩn IEEE 802.22.........................................23
Hình 1.14. Kết cấu một khung trong IEEE 802.22......................................................23
Hình 1.15. Cơ chế cảm biến thô và tinh trong hệ thống IEEE 802.22........................25

Hình 2.1. Phân loại các kỹ thuật cảm biến phổ...........................................................26
Hình 2.2. Mô hình nhiễu nhiệt.....................................................................................28
Hình 2.3. Chia sẻ phổ tần dựa trên các công nghệ truy nhập......................................30
Hình 2.4. Chia sẻ phổ tần chồng lấn............................................................................31
Hình 2.5. Chia sẻ phổ tần chìm dưới...........................................................................32
Hình 2.6. Quá trình linh động phổ...............................................................................34

Hình 3.1. Mối quan hệ giữa SDR và CR.....................................................................38
Hình 3.2. Cấu trúc của hệ thống SDR lí tưởng............................................................39
Hình 3.3. Cấu trúc đơn giản của máy thiết bị vô tuyến SDR......................................41
Hình 3.4. Cấu trúc SDR khi có sử dụng tần số trung tần............................................42
Hình 3.5. Cấu trúc SDR khi sử dụng tần số trung tần FPGA......................................43
3


Hình 3.6. Sự chuyển phổ tín hiệu khi không sử dụng tần số trung tần........................43
Hình 3.7. Cấu trúc một SDR với các thành phần chủ yếu...........................................44
Hình 4.1. Phân loại ứng dụng vô tuyến nhận thức......................................................46
Hình 4.2. Tài nguyên thông tin không dây..................................................................47
Hình 4.3. Các thiết bị trong hệ thống thông tin không dây.........................................48
Hình 4.4. Thông tin trên nhiều phổ và mạng khác nhau..............................................49

Hình 4.5. Tối ưu mạng.................................................................................................51
Hình 4.6. Hệ thống thông tin không dây tương kết.....................................................52
Hình 4.7 Phân loại ứng dụng vô tuyến nhận thức vào dịch vụ người dùng................56
Hình 4.8. Ứng dụng vô tuyến nhận thức trong thói quen người dùng.........................56

4


Thuật ngữ viết tắt

Chữ viết tắt
ADC
AF
BS
CDMA
CPE
CR
FCC

LNA
QoS
PU
RF
RX
SCH
SDR

Tên tiếng anh
Analog-Digital Convertor
Amplify and Forward

Base Station
Code Division Multiple Access
Consumer Premise Equipment
Cognitive Radio
Federal Communications
Commission
Frequency Division Multiple
Access
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
International Telecommunications
Union
Low Noise Amplifier
Quality of Service
Primary User
Radio Frequency
Receiver
Superframe Control Header
Software Difined Radio

SNR
SU
TDMA

Signal-to-Noise Ratio
Secondary User
Time Division Multiple Access

UWB

Ultra Wideband

FDMA
IEEE
ITU

5

Nghĩa tiếng Việt
Chuyển đổi tương tự - số
Khuếch đại và chuển tiếp
Trạm cơ sở
Đa truy cập phân chia theo mã
Thiết bị sử dụng đầu tiên
Vô tuyến nhận thức
Ủy ban truyền thông liên bang
Đa truy cập phân chia theo tần
số
Viện kỹ nghệ điện tử
Liên minh viễn thông Quốc tế
Bộ khuếch đại nhiễu thấp
Chất lượng dịch vụ
Người dùng chính
Tần số vô tuyến
Máy thu
Tiêu đề điều khiển siêu khung
Vô tuyến định nghĩa bằng
phần mềm
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Người dùng phụ

Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
Di động siêu băng rộng


I. Tổng quan
1.1. Tổng quan về vô tuyến nhận thức – Cognitive Radio (CR)
1.1.1. Khái niệm
Vô tuyến nhận thức là một mô hình mới mà có khả năng tự nhận thức các
thực thể, rất nhạy cảm với thay đổi trong môi trường xung quanh và nó có khả
năng tương tác với môi trường một cách thích nghi để tự cấu hình hay tái thiết
lập mạng, đây là ý tưởng kỹ thuật hoàn toàn mới đối với các nghiên cứu tại Việt
Nam. Cho đến nay có rất nhiều định nghĩa khác nhau về vô tuyến nhận thức
như:
- 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 radio-domain 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”.
- Định nghĩa do giáo sư Simon Hayskin - cha đẻ của vô tuyến nhận thức:
“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 truyền thông không dây
thông minh có khả năng nhận biết được môi trường xung quanh và từ môi
trường nó sẽ 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: i) truyền thông với độ tin cậy cao bất
cứ khi nào và bất cứ nơi đâu và ii) sử dụng hiệu 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 nghĩa 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”.
- Theo IEEE: “Vô tuyến nhận thức là hệ thống phát/nhận tần số vô tuyến
mà được thiết kế thông minh để phát hiện một khoảng phổ đang sử dụng hay
không, và nhảy (hoặc thoát khỏi nếu cần thiết) rất nhanh qua một khoảng phổ

tạm thời không sử dụng khác, nhằm không gây nhiễu cho các hệ thống được cấp
phép khác”.
“Hệ thống vô tuyến thông minh là một hệ thống vô tuyến sử dụng công
nghệ cho phép hệ thống có được thông tin của môi trường hoạt động và địa lý
của hệ thống, các chính sách được thiết lập và trạng thái bên trong của hệ thống;


để điều chỉnh các thông số hoạt động và các giao thức của hệ thống một cách
linh hoạt và chủ động theo thông tin có được của hệ thống để đạt được các mục
tiêu được định nghĩa trước; và để nghiên cứu từ các kết quả có được”.
( Nguồn: Báo cáo ITU–R SM.2152.)

Hình 1.1. Lịch sử hình thành của vô tuyến nhận thức

1.1.2. Mối quan hệ giữa vô tuyến thông minh và vô tuyến nhận thức
Vô tuyến thông minh cung cấp một chức năng vô tuyến rất linh hoạt bằng
cách tránh sử dụng các bộ phận và mạch tương tự cố định. Trong đó, vô tuyến
nhận thức như định nghĩa ở trên là hệ thống vô tuyến có khả năng nhận biết môi
trường xung quanh và điều chỉnh các tham số truyền và phát để tối ưu hiệu năng
hệ thống. Do đó, vô tuyến nhận thức cần dựa trên vô tuyến thông minh để phát
triển. Hay nói cách khác, vô tuyến thông minh chính là công nghệ lõi của vô
tuyến nhận thức. Hình 1.1 trình bày mối quan hệ giữa vô tuyến thông minh và vô
tuyến nhận thức trong đó hệ thống vô tuyến nhận thức bao gồm bộ phận nhận
thức, vô tuyến thông minh, và một số thành phần chức năng khác như cảm biến
để tạo nên hệ thống.


Hình 1.2. Mối quan hệ giữa vô tuyến thông minh và vô tuyến nhận thức
1.1.3. Nguyên nhân hình thành vô tuyến nhận thức
Theo Ed Thomas: “ Nếu xét toàn bộ giản tần số vô tuyến từ 0 đến 100

GHz và quan trắc ở một thời gian và không gian cự 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.
Gần đây, các nhà khoa học định nghĩa những khoảng tần số không được
sử dụng là khoảng trắng hay hố phổ:
Hình 1.3 biểu diễn hố phổ theo thời gian, tần số và công suất. Việc sử
dụng các hố phổ này khó khăn ở chỗ là những hó phổ này không có định mà
thay đổi liên tục ứng với sự thay đổi của nhu cầu sử dụng của hệ thống sơ cấp.

Hình 1.3. Lỗ hoặc hố phổ
Mục đích của mạng vô tuyến nhận thức là sử dụng hiệu quả tài nguyên
bao gồm tần số, thời gian và công suất truyền tải. Hiệu quả trong việc sử dụng
quang phổ đang đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong các hệ thống
truyền thông vô tuyến trong tương lai vì sẽ có nhiều người dùng với các dịch vụ
cao. Công nghệ vô tuyến nhận thức có thể được sử dụng trong các hệ thống có
mức ưu tiên thấp hơn để cải thiện hiệu quả quang phổ bằng cách cảm nhận môi


trường phổ và sau đó phát hiện các khoảng phổ còn trống để cấp phép sử dụng.
Tần số không sử dụng có thể được coi như một hố phổ tần số mà từ đó có thể
được giao cho người sử dụng phụ (SU). Sự liên kết trong việc sử dụng phổ vô
tuyến là một trường hợp đặc biệt của mạng vô tuyến nhận thức. Ngoài ra, kỹ
thuật vô tuyến nhận thức có thể được sử dụng trong mạng lưới được cấp phép để
nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần.
1.1.4. Chức năng
Vô tuyến nhận thức có 4 chức năng chính:
- Cảm biến phổ (Spectrum sensing)
- Quản lý phổ (Spectrum management): sau khi cảm biến phổ và quyết định
được khoảng phổ nào trống, CR tiến hành việc quản lí để chọn ra khoảng phổ
nào tối ưu, đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng trong mạng thông tin như
QoS (Quality of service). Chức năng này có thể được chia làm 2 bước: phân tích
phổ và quyết định phổ.
- Sử dụng phổ linh hoạt (Spectrum mobility): CR có thể linh hoạt thay đổi
tần số đang sử dụng để chuyển qua một tần số sẵn có khác mà có thể cải thiện
được chất lượng của mạng thông tin nhằm đạt được chất lượng tốt nhất có thể.
- Chia sẻ phổ (Spectrum Sharing): Trong một mạng thông tin không chỉ có
1 mà rất nhiều CR cùng hoạt động. Do vậy cần phải có chức năng chia sẻ phổ
giữa các CR để có thể cùng sử dụng dải băng tần một cách công bằng, hợp lý
tránh đụng độ nhau.

Hình 1.4. Sử dụng phổ linh động

1.1.5. Đặc điểm mạng vô tuyến nhận thức
Dựa vào một số phân tích ở trên, mạng vô tuyến nhận thức có các đặc
điểm cơ bản như sau:
Khả năng nhận thức: Khả năng nhận thức là khả năng mà công nghệ vô
tuyến nắm bắt hoặc cảm biến được các thông tin từ môi trường vô tuyến. Khả
năng này không chỉ đơn giản là thực hiện giám sát công suất trong một số băng
tần số quan tâm mà còn yêu cầu nhiều công nghệ phức tạp để nắm bắt sự biến
đổi của môi trường vô tuyến theo không gian và theo thời gian, nhằm tránh gây
nhiễu ảnh hưởng tới những người dùng chính. Thông qua khả năng này, các
phần phổ không sử dụng tại một thời điểm hoặc vị trí nhất định có thể được xác
định. Từ đó, nó có thể lựa chọn được phổ tốt nhất với các thông số hoạt động
phù hợp nhất để sử dụng.
Tính tự cấu hình: Tính tự cấu hình cho phép mạng vô tuyến có khả năng
lập trình tự động theo sự thay đổi của môi trường vô tuyến. Đặc biệt, vô tuyến
nhận thức có thể được lập trình để truyền và nhận thông tin trên các tần số khác
nhau và để sử dụng các công nghệ truy cập truyền dẫn khác nhau được phần
cứng hỗ trợ. Một số thông số tự cấu hình cần chú ý là: tần số hoạt động, điều
chế, công suất phát, công nghệ truyền.


1.2. Mô hình hệ thống của vô tuyến nhận thức
1.2.1. Cấu trúc vật lý của mạng vô tuyến nhận thức
Kiến trúc tổng quan của bộ thu phát vô tuyến nhận thức được chỉ ra trên
hình 1.5. Thành phần chính của bộ thu phát vô tuyến nhận thức là đầu cuối RF
(RF front-end) và khối xử lý băng gốc. Mỗi thành phần có thể tự cấu hình thông
qua một bus điều khiển để thích ứng với môi trường RF biến đổi theo thời gian.

Trong đầu cuối RF, tín hiệu thu được khuếch đại, trộn và chuyển đổi A/D. Trong
khối xử lý băng gốc, tín hiệu được điều chế/giải điều chế, được mã hóa/giải mã.
Khối xử lý băng gốc của vô tuyến nhận thức về bản chất cũng tương tự như bộ
thu phát đang tồn tại.
Điểm mới của bộ thu phát vô tuyến nhận thức là khả năng cảm nhận băng
rộng của đầu cuối RF. Chức năng này liên quan tới các công nghệ phần cứng RF
như anten băng rộng, khếch đại công suất, và bộ lọc thích ứng. Phần cứng RF
cho vô tuyến nhận thức có khả năng điều chỉnh tới bất kỳ phần nào của dải phổ
tần rộng lớn. Cảm nhận phổ cũng cho phép việc đo lường trong thời gian thực
các thông tin phổ từ môi trường vô tuyến.


Hình 1.5. Kiến trúc vật lý của vô tuyến nhận thức
(a) Bộ thu phát của vô tuyến nhận thức
(b) Sơ đồ khối phần vô tuyến của hệ thống vô tuyến nhận
thức

Chức năng của các khối trong RF Front-End như sau:
 Bộ lọc cao tần (RF Filter): có tác dụng chọn lọc được khoảng băng thông
mong muốn bằng cách cho tín hiệu qua bộ lọc thông dải.
 Bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA-Low Noise Amplifier): Bộ khuếch đại
nhiễu thấp có tách dụng loại nhiễu tần số ảnh, khuếch đại nhiễu thấp tín hiệu 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.
 Bộ trộn tần (MIXER): Tại bộ đổi tần tín hiệu thu được từ máy thu sẽ được
trộn với tần số gốc được phát ra và chuyển tới dải băng gốc hay tần số trung tầm.
 Bộ 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.

 Bộ lọc lựa chọn tần số (Channel Selection Filter): Được dùng để chọn
kênh mong muốn đồng thời loại bỏ kênh kế cận.
 Bộ điều khiển độ lợi tự động (AGC – Automatic Gain Control): Là hệ
thống hồi iếp điều chỉnh độ lợi máy thu dựa vào biên độ tín hiệu thu đồng thời
mở rộng dải động, cho phép tăng hoặc giảm độ khuếch đại khi tín hiệu thu yếu
hay mạnh bằng cách thay đổi điện áp phân cực.
 Bộ vòng khóa pha (PLL – Phase Locked Loop): Là hệ thống hồi tiếp vòng
kính. 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.
Trong kiến trúc này, tín hiệu băng rộng được nhận thông qua đầu cuối RF,
được lấy mẫu bởi bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) tốc độ cao, và việc đo đạc
được thực hiện để phát hiện ra tín hiệu của người dùng chính. Tuy nhiên, ở đây
còn tồn tại nhiều hạn chế trong việc phát triển đầu cuối của vô tuyến nhận thức.
Anten RF băng rộng nhận các tín hiệu từ các máy phát khác nhau hoạt
động tại các mức công suất, các băng thông và các vị trí khác nhau. Kết quả là,
đầu cuối RF phải có khả năng phát hiện tín hiệu yếu trong một dải tần động lớn.
Tuy nhiên, khả năng này đòi hỏi phải có bộ chuyển đổi ADC tốc độ vài GHz với
dộ phân giải cao, mà điều này thì rất khó thực hiện.
Trước khi thực hiện chuyển đổi, bộ chuyển đổi ADC tốc độ vài GHz cần
phải giảm bớt dải động của tín hiệu. Điều này có thể đạt được bằng cách lọc các
tín hiệu mạnh. Vì các tín hiệu mạnh có thể nằm ở bất cứ đâu trong dải phổ rộng
lớn, nên cần phải có các bộ lọc. Một cách khác nữa là sử dụng nhiều anten sao
cho việc lọc tín hiệu được thực hiện trong miền không gian hơn là miền tần số.
Nhiều anten có thể nhận tín hiệu một cách chọn lọc bằng cách sử dụng các công
nghệ điều khiển búp sóng.
1.2.2. Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức
Trong mô hình hệ thống vô tuyến nhận thức người dùng chính không cần
quan tâm các thiết bị mạng và không cần phải sửa đổi hệ thống mạng hiện có,

đây được cho là một điều kiện tiên quyết cơ bản một hệ thống vô tuyến nhận
thức. Điều quan trọng là những người dùng chính kế thừa các thiết bị của mạng
sãn có vẫn có thể hoạt động theo cách thông thường ngay cả khi áp dụng cho hệ
thống mạng vô tuyến nhận thức. Một giải pháp để cung cấp tốc độ dữ liệu cao
hơn ở khoảng cách ngắn là UWB nhưng quyền hạn truyền tải đòi hỏi phải cao
hơn và UWB trải tín hiệu trên một dải tần số rộng. Vì vậy, trong hệ thống vô
tuyến nhận thức những người dùng phụ sx tạm dừng hoạt động khi một người
dùng chính truyền dữ liệu vì vậy công nghệ UWB (siêu băng rộng) không được
sử dụng trong mạng vô tuyến nhận thức.
Các nghiên cứu về mô hình hệ thống của vô tuyến nhận thức được trình
bày trong hình 1.6. Mô hình hệ thống cô tuyến nhận thức bao gồm người sử
dụng chính, người sử dụng phụ và trạm trung gian được chọn là nút đóng vai trò
phối hợp phổ trong mạng. Các kích thước của hệ thống, những thông số và vị trí
của người sử dụng là chỉ minh họa. Khi mạng lưới bắt đầu hoạt động, tín hiệu
đầu tiên được vào nút và nó vẫn tiếp tục hoạt động cho đến khi mạng ngắt kết
nối. Một ví dụ cho các hệ thống vô tuyến nhận thức được giới thiệu trong hình
1.7, nơi vị trí của người sử dụng chính và người sử dụng phụ được chọn ngẫu
nhiên trong khu vực phân phối sử dụng mạng thống nhất. Màu xám trong hình
mô tả các khu vực nơi SU và PU có sự ảnh hưởng lẫn nhau. Đây cũng là khu
vực mà nó có thể cho SU phát hiện sự hiện diện của PU thông qua cảm biến.

Hình 1.6. Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức


Hình 1.7. Minh họa sự ảnh hưởng của phạm vi truyền dẫn của người sử dụng
chính và người sử dụng phụ

Sơ đồ khối các nút trong mô hình hệ thống vô tuyến nhận thức được trình

bày trong hình 1.8. Nhiệm vụ của nút trong vô tuyến nhận thức là cảm biến phổ
ở người nhận để xác định các lỗ hổng phổ, sau đó truyền tải thông tin cảm biến
thông qua các liên kết thông tin phản hồi và điều khiển kênh, điều khiển tần số,
công suất ở máy phát dựa trên thông tin phản hổi từ người nhận và có sự kiểm
soát thông tin từ các nút.

Hình 1.8. Sơ đồ khối của các nút trong vô tuyến nhận thức


Các nút hoạt động bằng cách gửi một tín hiệu đến một kênh điều khiển
chung để thông báo cho các nút khác có khả năng tham gia mạng. Vai trò của nút
khác với điểm truy cập thông thường bời vì nó có khả năng nhận thức được
thông tin hiện tại và truyền thông tin liên lạc giữa các nút là giống như việc thu
nhận thông tin liên lạc trong mạng ngân hàng. Các thông tin phổ cảm biến tại vị
trí của các nút sẽ được gửi tới một kênh điều khiển chung, kết hợp trong nút và
sau đó phát sóng đến thiết bị đầu cuối CR trong mạng. Về bản chất, giao tiếp
giữa hai thiết bị đầu cuối CR có thể chia thành các bước sau:
- Cảm biến phổ tại nút và truyền tải các thông tin cảm biến đến kênh điều
khiển chung.
- Kết hợp các thông tin cảm biến trong các nút và truyền các thông tin kết
hợp này với tất cả các thiết bị đầu cuối trong CR và cho phép các nút sãn sàng để
giao tiếp.
- Bắt đầu từ việc truyền tải giữa hai thiết bị đầu cuối, ví dụ như chuỗi huấn
luyện đầu tiên và sau đó ươc lượng kênh ở chế độ theo dõi và truyền dữ liệu
thực tế.
- Cảm biến phổ định kỳ được thực hiện trong khoản thời gian giây, nếu
quá trình truyền dữ liệu bị gián đoạn trong quá trình cảm biến thì trở lại điểm 1.

1.2.3. Mô hình tổng thể của mạng vô tuyến nhận thức
Mạng vô tuyến hiện nay đang tồn tại sử dụng hỗn hợp nhiều chuẩn phổ và

công nghệ truyền thông khác nhau. Hơn nữa, có một số phần phổ vô tuyến đã
được cấp phép cho các mục đích khác nhau nhưng vẫn còn một số băng tần vẫn
chưa được cấp phép.


Hình 1.9. Mô hình kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức
Các thành phần kiến trúc của mạng vô tuyến nhận thức, như hình 1.9, có
thể phân thành hai nhóm là mạng chính và mạng phụ. Các thành phần cơ bản
của hai nhóm mạng này được xác định như sau:
 Mạng chính: 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: người dùng chính (hay người dùng được cấp phép) có
giấy phép 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
kỳ người dùng không được cấp phép 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: 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.
 Mạng phụ: Mạng phụ (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.
- Người dùng phụ: Người dùng không được cấp phép, 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 phụ: Trạm gốc phụ (hay trạm gốc xG, trạm gốc không cấp phép,
trạm gốc thứ câp) là thành phần cơ sở hạn tầng cố định. Trạm gốc phụ cung cấp
kết nối đơn chặng tới những người dùng phụ mà không cần giấy phép truy nhập
phổ. Thông qua kết nối này, người dùng phụ có thể truy nhập đến các mạng
khác.
- Bộ phân chia phổ: bộ phân chia phổ (hay server lập lịch) là một bộ phận
mạng trung tâm đóng vai trò trong việc chia sẻ các tài nguyên phổ tần giữa các
người dùng phụ. Bộ chia phổ có thể kết nối với từng mạng và giữa các người
dùng phụ. Bộ phân chia phổ có thể kết nối với từng mạng và có thể phục vụ với
tư cách là bộ phận quản lý thông tin phổ, nhằm cho phép các mạng phụ cùng tồn
tại.
Mạng vô tuyến nhận thức bao gồm nhiều loại mạng khác nhau: mạng
chính, mạng phụ dựa trên cơ sở hạ tầng và mạng ad hoc. Mạng vô tuyến nhận
thức hoạt động dưới môi trường phổ hỗn hợp, bao gồm cả các băng cấp phép và
không cấp phép. Do đó, trong mạng vô tuyến nhận thức có ba loại truy nhập
khác nhau đó là:
- Truy cập mạng chính: người dùng chính truy nhập trên băng tần được
cấp phép.


- Truy cập mạng phụ (xG network access): người dùng phụ có thể truy
nhập tới chính trạm gốc của mạng chính ở cả băng tần cấp phép và không cấp
phép.
- Truy cập mạng vô tuyến nhận thức ad học (xG ad học access): người
dùng vô tuyến nhận thức có thể truyền thông tin với những người dùng vô tuyến
nhận thức khác thông qua kết nối ad hoc ở cả băng cấp phép và không cấp phép.
1.2.4. Hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức
Trong mạng vô tuyến nhận thức mạng phụ có thể hoạt động trong cả băng
cấp phép và không cấp phép. Do đó, các chức năng yêu cầu cho mạng phụ khác

nhau tùy theo phổ đó là cấp phép hay không.

 Trên băng tần được cấp phép
Như đã chỉ ra ở trên hình 3, ta thấy có những hố phổ không sử dụng trong
băng phổ được cấp phép. Do đó, sử dụng mạng phụ để khai thác và sử dụng các
hố phổ này thông qua các công nghệ thông minh. Kiến trúc này được miêu tả
trong hình 5, trong đó các mạng phụ cùng tồn tại với các mạng chính tại cùng
một vị trí và trên cùng một băng phổ.

Hình 1.10. Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng tần cấp phép
Có nhiều thách thức khác nhau để các mạng phụ hoạt động trên băng cấp
phép song song với sự tồn tại của những người dùng chính. Mặc dù, mục đích
chính của mạng vô tuyến nhận thức là xác định phổ tần có sẵn tốt nhất, nhưng


các chức năng của vô tuyến nhận thức trong băng tần cấp phép lại bao
goomfphats hiện sự có mặt của các người dùng chính. Dung lượng kênh của các
hố phổ phụ thuộc vào nhiễu xung quanh những người dùng chính. Do đó, việc
tránh nhiễu cho người dùng chính là vấn đề quan trọng nhất trong kiến trúc này.
Hơn nữa, nếu người dùng chính xuất hiện trong băng phổ bị những người dùng
phụ chiếm, thì người dùng phụ ngay lập tức phải bỏ lại phổ hiện tại và chuyển
tới phổ mới sẵn có khác, gọi là chuyển giao phổ.

 Trên băng tần không được cấp phép
Các mạng phụ có thể được thiết kế để hoạt động trên các băng không cấp
phép để cải thiện hiệu quả sử dụng phổ trong phần phổ này. Mạng phụ hoạt động
trên băng tần không cấp phép được minh họa trên hình 1.6. Tất cả các người
dùng phụ trong mạng có quyền như nhau khi truy nhập tới các băng phổ. Nhiều
mạng phụ tồn tại trong một vùng trống giống nhau và truyền thông sử dụng cũng
một phần phổ như nhau. Các thuật toán chia sẻ phổ thông minh có thể cải thiện

hiệu quả phổ và hỗ trợ cao.

Hình 1.11. Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng không cấp phép

Trong kiến trúc này, những người dùng phụ tập trung vào phát hiện việc
truyền của những người dùng phụ khác. Khác với hoạt động trên băng cấp phép,


việc chuyển giao phổ không bị kích thích bởi sự có mặt của những người dùng
chính khác. Tuy nhiên, vì tất cả những người dùng phụ có quyền truy cập phổ
như nhau, nên họ phải cạnh tranh với nhau trong cùng băng không cấp phép. Do
đó, kiến trúc này đòi hỏi các phương pháp chia sẻ phổ phức tạp giữa những
người đung trong mạng phụ. Nếu nhiều mạng phụ nằm trong cùng một băng
không cấp phép thì phải có phương pháp cha sẻ phổ phù hợp giữa các mạng này.
1.2.5. Các chuẩn của mạng vô tuyến nhận thức
1.2.5.1. Chuẩn IEEE SCC 41
Từ khi hệ thống quản lý phổ phù hợp sử dụng SDR trong hệ thống CR bao
gồm nhiều kỹ 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, thì việc kết hợp giữa các nhóm
lại với nhau về cả trong công nghiệp, về kỹ năng và các tổ chức khác thì thật sự
cần thiết. Và chuẩn IEEE Standards Coordonating Committee (SCC) 41 trong hệ
thống CR và trong quản lý phổ được xây dựng để bắt đầu 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 bốn nhóm làm việc
chính và một 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 hòan 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 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 kỹ thuật khác. Tiêu chuẩn cũng mô tả sự tương tác giữa
những khái niệm. Chuẩn IEEE 1900.1 thì được sử dụng như là một 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 một vị trí ở cùng
một 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 quả lý và để tránh nhiễu. Theo đó, một khung
công việc cho tính toán, nhiên 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 bộ phận của phần
mềm trong hệ thống SDR dựa trên các thiết bị không dây. Công việc 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.

 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 khóa cho hệ thống không dây mà các thiết bị di động có thể sử dụng
kỹ thuật không dây đa kênh một cách đồng thời.
 IEEE 1900.A: Trách nhiệm của tiêu cuẩn 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 khôn dây với truy cập
phổ linh động. Bởi vì thiếu 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 chác rằng các thiết bị sẽ không gây nhiễu lên kênh truyền của


thiết bị đăng ký. Việc nghiên cứu bao gồm cả sự khó khăn trong việc phân tích
nguyên nhân của nhiễu. Nhà sản xuất phát hành 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 nhập phổ. IEEE 802.19
là nhóm tiêu chuẩn dùng trong sự tồn tại đồng thời. Nhóm này sẽ định đại chỉ
cho các giả thiết tồn tại đồng thời giauwx các hệ thông 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 kỹ thuật đang
hoạt động trong cùng một phổ. Chuẩn IEEE 802.21 là một chuẩn mới cung cấp

khả năng quản lý phổ linh động cho cả kỹ 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 kỹ thuật không dây này. IEEE 802.22 là một kỹ thuật không dây mới cung
cấp dữ liệu thông tin trên một khu vực rộng lớn. Kỹ 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: