Luận văn: Kỹ thuật cảm biến phổ & cấp phát tài nguyên mạng vô tuyến nhận thức

Luận văn phân tích kỹ thuật cảm biến phổ trong mạng vô tuyến nhận thức. Giải pháp tối ưu hóa việc cấp phát tài nguyên, giải quyết khan hiếm phổ.

• Tác giả: Phan Giang Châu
• Người hướng dẫn: Pgs. Lê Tiến Thường
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Áp Dụng Kỹ Thuật Cảm Biến Phổ Vào Việc Cấp Phát Tài Nguyên Cho Mạng Vô Tuyến Nhận Thức
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái Niệm Về Cảm Biến Phổ Trong Mạng Vô Tuyến Nhận Thức

Cảm biến phổ là một kỹ thuật quan trọng trong mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio), giúp phát hiện và giám sát phổ tần vô tuyến một cách hiệu quả. Với sự gia tăng nhu cầu sử dụng dịch vụ không dây, phổ tần đã trở nên ngày càng cạn kiệt. Kỹ thuật cảm biến phổ cho phép các thiết bị không dây phát hiện những hố phổ (spectrum holes) – những khoảng tần số không được sử dụng tại một thời điểm nhất định. Nhờ đó, các người dùng thứ cấp có thể tận dụng các tài nguyên phổ này mà không gây ảnh hưởng đến người dùng chính đang sử dụng các tần số được cấp phép.

1.1. Vai Trò Của Cảm Biến Phổ

Cảm biến phổ đóng vai trò then chốt trong việc giám sát phổ tần thực thời. Nó cho phép hệ thống Cognitive Radio phát hiện khi nào một kênh tần số được giải phóng và có thể sử dụng. Điều này giúp tối ưu hóa việc cấp phát tài nguyên và nâng cao hiệu quả sử dụng phổ vô tuyến so với phương pháp cấp phát cố định truyền thống.

1.2. Lợi Ích Của Công Nghệ Này

Sử dụng kỹ thuật cảm biến phổ mang lại nhiều lợi ích: tăng hiệu suất cấp phát tài nguyên phổ, giảm khỏang trống phổ, và cho phép tái sử dụng tài nguyên một cách thông minh. Công nghệ này là giải pháp hiệu quả để khắc phục tình trạng khan hiếm phổ hiện nay.

II. Các Phương Pháp Cảm Biến Phổ Chính

Có ba phương pháp cảm biến phổ chính được sử dụng trong mạng vô tuyến nhận thức: cảm biến dựa trên năng lượng, cảm biến sử dụng matched filter, và cảm biến đặc tính ổn định vòng. Mỗi phương pháp có những ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các tình huống khác nhau. Cảm biến năng lượng (Energy Detection) là phương pháp đơn giản nhất, phát hiện sự hiện diện của tín hiệu dựa trên mức năng lượng. Matched Filter Detection yêu cầu biết thông tin tín hiệu trước đó, cho độ chính xác cao hơn. Cyclostationary Feature Detection khai thác các đặc tính tuần hoàn của tín hiệu, cung cấp phát hiện tin cậy hơn so với cảm biến năng lượng.

2.1. Cảm Biến Năng Lượng

Cảm biến dựa trên năng lượng (Energy Detection) hoạt động bằng cách đo công suất tín hiệu nhận được. Nếu công suất vượt quá một ngưỡng xác định, hệ thống xác định rằng kênh đang bị chiếm dụng. Phương pháp này đơn giản và tiết kiệm tính toán, nhưng nhạy cảm với nhiễu và đặc tính môi trường.

2.2. Cảm Biến Matched Filter và Đặc Tính Ổn Định Vòng

Matched Filter Detection cần thông tin chi tiết về tín hiệu, cho độ chính xác cao. Cyclostationary Feature Detection khai thác tính tuần hoàn của tín hiệu điều chế, cung cấp khả năng phát hiện vượt trội trong môi trường nhiễu và giúp phân biệt tín hiệu từ nhiễu hiệu quả hơn.

III. Ứng Dụng Cảm Biến Phổ Trong Cấp Phát Tài Nguyên

Cảm biến phổ là nền tảng cho việc cấp phát tài nguyên động trong mạng vô tuyến nhận thức. Thay vì sử dụng phương pháp cấp phát cố định truyền thống, hệ thống Cognitive Radio liên tục giám sát phổ tần, phát hiện hố phổ rỗi, và gán động những khoảng tần số này cho người dùng thứ cấp. Quá trình này tối ưu hóa sử dụng tài nguyên phổ, cho phép nhiều ứng dụng không dây cùng hoạt động trên cùng một dải tần số mà không gây nhiễu lẫn nhau. Các giải thuật cấp phát tài nguyên dựa trên kết quả cảm biến phổ có thể điều chỉnh công suất phát, lựa chọn kênh, và phân chia băng thông một cách tối ưu.

3.1. Cơ Chế Cấp Phát Động

Cấp phát tài nguyên động hoạt động theo chu kỳ: cảm biến phổ phát hiện trạng thái kênh thông tin, sau đó giải thuật cấp phát quyết định phân bổ tài nguyên. Quá trình này lặp lại liên tục, cho phép hệ thống thích nghi với sự thay đổi trạng thái phổ thực thời, từ đó tối đa hóa hiệu quả sử dụng phổ vô tuyến.

3.2. Lợi Ích Của Cấp Phát Động

Cấp phát động dựa trên cảm biến phổ mang lại hiệu suất cao hơn so với phương pháp cố định, giảm xung đột kênh, và cho phép tái sử dụng phổ hiệu quả. Các hệ thống mạng WRANs và mạng khẩn cấp được hưởng lợi đặc biệt từ công nghệ này.

IV. Triển Khai và Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Hiện nay, các thuật toán cảm biến phổ được triển khai trên nhiều nền tảng khác nhau, từ mô phỏng phần mềm (MATLAB) đến các bộ vi xử lý thực tế như ARM LM3S2965. Các bộ xử lý ARM được ưa chuộng vì có hiệu suất cao, tiêu thụ năng lượng thấp, và chi phí rẻ, rất phù hợp với các thiết bị di động và IoT. Chuẩn IEEE 802.22 chỉ định các yêu cầu về cảm biến kênh cho mạng không dây cục bộ WRANs. Tương lai, các kỹ thuật cảm biến phổ sẽ tiếp tục cải tiến, kết hợp machine learning và AI để nâng cao độ chính xác phát hiện, giảm thời gian cảm biến, và tối ưu cấp phát tài nguyên trong các mạng 5G và 6G sắp tới.

4.1. Triển Khai Thực Tế Trên Phần Cứng

Triển khai thuật toán cảm biến phổ trên ARM LM3S2965 chứng minh khả năng thực tế hóa các giải pháp Cognitive Radio. Các bộ vi xử lý ARM cung cấp tốc độ xử lý đủ để thực hiện cảm biến phổ thực thời, quản lý tài nguyên hiệu quả, và hỗ trợ nhiều ứng dụng đồng thời trên thiết bị di động.

4.2. Hướng Phát Triển Tiếp Theo

Tương lai cảm biến phổ hướng tới tích hợp trí tuệ nhân tạo, machine learning để cải thiện độ chính xác và tốc độ phát hiện. Các mạng 5G/6G sẽ sử dụng cảm biến phổ thông minh kết hợp với phân tích dữ liệu lớn nhằm tối ưu hóa toàn bộ hệ thống mạng và cung cấp dịch vụ chất lượng tốt hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 8888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT 8888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 8888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888 8888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888 8888888888888888888888888888888888888888888Type equation here. LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN GIANG CHÂU ÁP DỤNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN PHỔ VÀO VIỆC CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN CHO MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 Hƣớng dẫn khoa học : PGS. LÊ TIẾN THƢỜNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2013 LỜI CẢM TẠ Em chân thành bày tỏ lòng kính trọng và cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy hƣớng dẫn PGS.

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

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô đang giảng dạy tại Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM, đặc biệt là quý thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử đã hết lòng dạy dỗ, truyền đạt kiến thức cũng nhƣ kinh nghiệm cho em. Những kiến thức nền tảng mà quý thầy cô truyền đạt đã giúp em rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn. Con vô cùng biết ơn cha mẹ, những ngƣời đã sinh thành, nuôi dƣỡng, dạy dỗ con, động viên con trong mỗi bƣớc đi của cuộc đời. Con sẽ luôn ghi nhớ những lời dạy quý báu của cha mẹ là phải cố gắng học hành nên ngƣời.

Trên con đƣờng sau này, con xin nhớ mãi ơn cha mẹ và kính chúc cha mẹ luôn dồi dào sức khỏe. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến anh chị, bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn. Chúc các anh chị, các bạn nhiều sức khỏe và thành công trong cuộc sống. TPHCM, ngày 24 tháng 03 năm 2013 Học viên Phan Giang Châu TÓM TẮT Ngày nay, nhu cầu sử dụng các dịch vụ không dây ngày càng tăng cao và điều này đã làm cho phổ tần vô tuyến ngày càng trở nên cạn kiệt.

Trong khi đó, phần lớn các mạng không dây hiện nay sử dụng phƣơng pháp cấp phát tài nguyên phổ là cố định. Đây là phƣơng pháp cấp phát tài nguyên phổ không hiệu quả vì nhu cầu sử dụng băng thông có đăng ký thay đổi theo thời gian và không gian. Sự ra đời của mạng vô tuyến nhận thức – Cognitive Radio nhƣ là một cuộc cách mạng lớn trong truyền thông hiện đại nhằm giải quyết vấn đề về khan hiếm phổ nhƣ hiện nay. Đây là mạng mà các thông số tuyền hoặc nhận có thể thay đổi để thực hiện việc truyền thông một cách có hiệu quả nhằm tận dụng các phổ tần rỗi (hay còn gọi là hố phổ) nhƣng không làm ảnh hƣởng đến ngƣời sử dụng các phổ tần có đăng ký.

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

 -v- MỤC LỤC Trang tựa Trang QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI. i LÝ LỊCH KHOA HỌC. ii LỜI CAM ĐOAN.iii LỜI CẢM TẠ. vii MỤC LỤC.

viii DANH SÁCH CHÚ GIẢI THUẬT NGỮ TIẾNG ANH. xi DANH SÁCH HÌNH. xi DANH SÁCH BẢNG. xiv Chƣơng 1:.

Tổng quan và các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. Mục tiêu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu. Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu.

6 KIẾN TRÚC MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC.2 Vô tuyến đƣợc định nghĩa bằng phần mềm SDR.3 Mối liên hệ giữa CR và SDR.4 Sơ đồ khối của thiết bị thu phát CR.5 Kiến trúc mạng mạng vô tuyến nhận thức.6 Các ứng dụng của mạng vô tuyến nhận thức.1 Mạng cho thuê – leased network.2 Mạng mesh nhận thức – cognitive mesh networks.3 Mạng khẩn cấp.4 Mạng quân đội.22 cho mạng không dây cục bộ WRANs.1 Lớp vật lý trong 802.2 Lớp MAC trong 802.3 Cảm biến kênh trong chuẩn IEEE 802.4 Hƣớng nghiên cứu trong chuẩn IEEE 802. 22 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC KỸ THUẬT CẢM BIẾN PHỔ. Cảm biến phổ dựa trên năng lƣợng - Energy detection. Cảm biến phổ sử dụng matched filter.

Cảm biến phổ dựa vào đặc điểm ổn định vòng – Cyclostationary feature based detection. 34 MÔ PHỎNG CÁC GIẢI THUẬT CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN PHỔ TRONG MẠNG CR.1 Cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên năng lƣợng.2 Cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức sử dụng matched filter.3 Cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên đặc điểm ổn định vòng. 39 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM TRÊN KIT ARM LM3S2965.1 Cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên năng lƣợng.2 Cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức sử dụng matched filter.3 Cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên ổn định vòng. 42 TRIỂN KHAI GIẢI THUẬT TRÊN KIT ARM.

Lƣu đồ triển khai các giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức trên KIT ARM.1 Lƣu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên năng lƣợng.2 Lƣu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức sử dụng matched filter.3 Lƣu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên đặc điểm ổn định vòng. Kết quả triển khai các giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức trên KIT ARM. 57 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.2 Hƣớng phát triển của đề tài. 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

61 A - GIỚI THIỆU VỀ ARM VÀ KIT ARM LM3S2965. 61 I – TỔNG QUAN VỀ ARM CORTEX. 61 II – GIỚI THIỆU STELLARIS® LM3S2965 EVALUATION BOARD.76 B - PHƢƠNG PHÁP FFT ACCUMULATION TRONG TÍNH TOÁN PHỔ VÒNG. 92 -x- Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.

Tổng quan và các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Theo FCC, phổ tần có đăng ký đƣợc sử dụng trung bình chỉ khoảng 15-85% [1] và đặc biệt là phổ tần trên 3 GHz ít đƣợc sử dụng nhƣ một cuộc nghiên cứu đƣợc thực hiện tại ở Berkeley [5]. Kết quả đo đạt việc sử dụng phổ (hình 1 – 1) nhƣ sau: sử dụng phổ ở dải tần 3-4 GHz và 4-5 GHz chỉ chiếm lần lƣợt là 0. Từ sự mất cân đối này, một bài toán lớn đặt ra cho các nhà nghiên cứu là tìm ra một phƣơng pháp truyền thông nhằm tận dụng mọi phổ tần rỗi. Tình hình sử dụng phổ tại Trung tâm nghiên cứu mạng không dây Berkeley (Berkeley Wireless Research Center), Đại học California tại Berkeley, USA [9].

Nhƣ đã đề cập ở trên, phần lớn các mạng không dây hiện nay sử dụng phƣơng pháp cấp phát phổ cố định. Đây là một phƣơng pháp cấp phát rất không hiệu quả vì nhu cầu băng thông có đăng ký thay đổi nhiều theo thời gian và không gian. Từ những khó khăn nhƣ đã nêu ở trên, Joseph Mitola III [3] công tác tại KTH, Học Viện Công Nghệ Hoàng Gia (The Royal Institute of Technology), Stockholm, Thụy Điển lần đầu tiên đƣa ra ý tƣởng về mạng mạng vô tuyến nhận thức - Cognitive Radio (CR). -1- Mạng CR là một lĩnh vực khá mới mẻ và đầy triển vọng cho truyền thông không dây trong những năm gần đây.

Việc thiết kế các hệ thống CR đáp ứng đƣợc các yêu cầu của một mạng CR là vô cùng quan trọng nhằm tận dụng đƣợc các phổ tần rỗi. Điều này cũng có nghĩa là sẽ giải quyết đƣợc vấn đề về sự hạn hữu phổ tần của các mạng di động. Cognitive radio (CR): là sóng vô tuyến dựa trên nhận thức. CR là một mô hình sử dụng cho truyền thông không dây, ở mô hình này mạng hoặc nút mạng thay đổi tham số truyền hoặc nhận (các tham số: phổ hoạt động, điều chế, và công suất truyền tải) để truyền thông có hiệu quả nhằm tránh nhiễu với những ngƣời sử dụng có đăng ký hoặc không đăng ký.

Sự thay đổi các tham số này dựa trên việc kiểm tra một số yếu tố bên trong và bên ngoài của môi trƣờng vô tuyến, chẳng hạn nhƣ phổ tần số vô tuyến, hành vi ngƣời sử dụng và tình trạng của mạng. Sự linh hoạt này làm cho CR có thể tận dụng phổ tần không sử dụng, cải thiện tốc độ và độ tin cậy của các dịch vụ không dây. Chức năng chính của CR :  Cảm biến phổ: phát hiện phổ không sử dụng và chia sẻ phổ này mà không gây nhiễu cho ngƣời sử dụng khác. Yêu cầu quan trọng của mạng CR là cảm biến các hố phổ.

Việc phát hiện PU là cách hiệu quả nhất để phát hiện hố phổ. Kỹ thuật cảm biến phổ có thể chia thành 3 loại:  Phát hiện thiết bị phát: CR phải có khả năng xác định nếu một tín hiệu từ một thiết bị phát PU xuất hiện trong một phổ nhất định.  Phát hiện hợp tác  Phát hiện dựa trên nhiễu  Kiểm soát phổ: nắm đƣợc phổ có sẵn tốt nhất để đáp ứng các yêu cầu truyền thông ngƣời sử dụng. CR phải quyết định dải phổ tốt nhất để - 2- đáp ứng các yêu cầu QoS qua tất cả các dải phổ có sẵn.