Luận văn thạc sĩ hcmute áp dụng kỹ thuật cảm biến phổ vào việc cấp phát tài nguyên cho mạng vô tuyến nhận thức

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu hcmute áp dụng kỹ thuật cảm biến phổ vào việc cấp phát tài nguyên cho mạng vô tuyến nhận thức, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề

• 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: Cấp Phát Tài Nguyên Mạng Vô Tuyến Nhận Thức Bằng Kỹ Thuật Cảm Biến Phổ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan và các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
• 1.2. Mục tiêu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu
• 1.3. Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
• 1.5. KIẾN TRÚC MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC
• 1.5.1. Vô tuyến đƣợc định nghĩa bằng phần mềm SDR
• 1.5.2. Mối liên hệ giữa CR và SDR
• 1.5.3. Sơ đồ khối của thiết bị thu phát CR
• 1.5.4. Kiến trúc mạng mạng vô tuyến nhận thức
• 1.6. Các ứng dụng của mạng vô tuyến nhận thức
• 1.6.1. Mạng cho thuê – leased network
• 1.6.2. Mạng mesh nhận thức – cognitive mesh networks
• 1.6.3. Mạng khẩn cấp
• 1.6.4. Mạng quân đội
• 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC KỸ THUẬT CẢM BIẾN PHỔ
• 2.1. Cảm biến phổ dựa trên năng lƣợng - Energy detection
• 2.2. Cảm biến phổ sử dụng matched filter
• 2.3. Cảm biến phổ dựa vào đặc điểm ổn định vòng – Cyclostationary feature based detection
• 3. MÔ PHỎNG CÁC GIẢI THUẬT CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN PHỔ TRONG MẠNG CR
• 3.1. Cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên năng lƣợng
• 3.2. Cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức sử dụng matched filter
• 3.3. Cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên đặc điểm ổn định vòng
• 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM TRÊN KIT ARM LM3S2965
• 4.1. Cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên năng lƣợng
• 4.2. Cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức sử dụng matched filter
• 4.3. Cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên ổn định vòng
• 5. TRIỂN KHAI GIẢI THUẬT TRÊN KIT ARM
• 5.1. 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
• 5.2. Lƣu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên năng lƣợng
• 5.3. Lƣu đồ giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức sử dụng matched filter
• 5.4. 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
• 5.5. Kết quả triển khai các giải thuật cấp phát tài nguyên phổ cho ngƣời sử dụng CR trong mạng vô tuyến nhận thức trên KIT ARM
• 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 6.1. Hƣớng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• A - GIỚI THIỆU VỀ ARM VÀ KIT ARM LM3S2965
• A.I. TỔNG QUAN VỀ ARM CORTEX
• A.II. GIỚI THIỆU STELLARIS® LM3S2965 EVALUATION BOARD
• B - PHƢƠNG PHÁP FFT ACCUMULATION TRONG TÍNH TOÁN PHỔ VÒNG

Tóm tắt

I. Giới thiệu về tài nguyên mạng vô tuyến

Tài nguyên mạng vô tuyến là một yếu tố quan trọng trong việc cung cấp dịch vụ không dây. Với sự gia tăng nhu cầu sử dụng dịch vụ không dây, việc quản lý và cấp phát tài nguyên mạng trở nên cần thiết. Mạng vô tuyến hiện tại chủ yếu sử dụng phương pháp cấp phát tài nguyên cố định, dẫn đến tình trạng lãng phí tài nguyên. Việc áp dụng công nghệ cảm biến phổ giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên này. Mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) đã ra đời như một giải pháp để giải quyết vấn đề khan hiếm tài nguyên mạng. Công nghệ này cho phép các thiết bị mạng tự động phát hiện và sử dụng các phổ tần rỗi mà không gây ảnh hưởng đến các người dùng có đăng ký. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mạng mà còn nâng cao khả năng sử dụng tài nguyên mạng một cách hiệu quả.

1.1. Khái niệm về mạng vô tuyến nhận thức

Mạng vô tuyến nhận thức là một mô hình truyền thông không dây cho phép các thiết bị mạng thay đổi các tham số truyền và nhận để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên phổ. Mạng này có khả năng cảm biến môi trường vô tuyến, từ đó phát hiện các phổ tần không sử dụng và điều chỉnh các tham số truyền để tránh gây nhiễu cho các người dùng khác. Việc phát hiện và sử dụng các phổ tần rỗi là một trong những chức năng chính của mạng vô tuyến nhận thức. Các kỹ thuật cảm biến phổ như phát hiện năng lượng, phát hiện sử dụng bộ lọc phù hợp và phát hiện dựa trên đặc điểm ổn định vòng là những phương pháp quan trọng trong việc cấp phát tài nguyên cho mạng vô tuyến nhận thức.

II. Kỹ thuật cảm biến phổ trong mạng vô tuyến nhận thức

Kỹ thuật cảm biến phổ là một phần quan trọng trong mạng vô tuyến nhận thức, giúp phát hiện và sử dụng các phổ tần không sử dụng. Các phương pháp cảm biến phổ bao gồm cảm biến dựa trên năng lượng, cảm biến sử dụng bộ lọc phù hợp và cảm biến dựa vào đặc điểm ổn định vòng. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Cảm biến dựa trên năng lượng là phương pháp đơn giản và hiệu quả trong việc phát hiện tín hiệu, nhưng có thể không chính xác trong môi trường có nhiều nhiễu. Cảm biến sử dụng bộ lọc phù hợp có độ chính xác cao hơn nhưng yêu cầu tính toán phức tạp hơn. Cảm biến dựa vào đặc điểm ổn định vòng có khả năng phát hiện tín hiệu trong môi trường phức tạp, nhưng cũng đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán.

2.1. Cảm biến dựa trên năng lượng

Cảm biến dựa trên năng lượng là phương pháp đơn giản nhất trong các kỹ thuật cảm biến phổ. Phương pháp này hoạt động bằng cách đo lường mức năng lượng của tín hiệu trong một phổ tần nhất định. Nếu mức năng lượng vượt qua một ngưỡng nhất định, tín hiệu được coi là có mặt. Phương pháp này có ưu điểm là dễ triển khai và yêu cầu ít tài nguyên tính toán. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của nó là khả năng phát hiện không chính xác trong môi trường có nhiều nhiễu. Do đó, việc kết hợp với các phương pháp cảm biến khác có thể giúp cải thiện độ chính xác của việc phát hiện.

2.2. Cảm biến sử dụng bộ lọc phù hợp

Cảm biến sử dụng bộ lọc phù hợp là một phương pháp phức tạp hơn, cho phép phát hiện tín hiệu với độ chính xác cao hơn. Phương pháp này sử dụng bộ lọc để tách tín hiệu mong muốn ra khỏi nhiễu. Mặc dù có độ chính xác cao, nhưng phương pháp này yêu cầu nhiều tài nguyên tính toán và có thể không hiệu quả trong các môi trường có nhiều biến động. Việc tối ưu hóa các tham số của bộ lọc là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tốt nhất trong việc phát hiện tín hiệu.

III. Ứng dụng thực tiễn của mạng vô tuyến nhận thức

Mạng vô tuyến nhận thức có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất là trong lĩnh vực viễn thông, nơi mà việc tối ưu hóa tài nguyên phổ là rất cần thiết. Mạng vô tuyến nhận thức có thể được sử dụng để cung cấp dịch vụ cho các khu vực có nhu cầu cao nhưng tài nguyên phổ hạn chế. Ngoài ra, công nghệ này cũng có thể được áp dụng trong các mạng khẩn cấp, nơi mà việc sử dụng tài nguyên hiệu quả có thể cứu sống. Các ứng dụng khác bao gồm mạng quân sự, mạng cho thuê và mạng mesh nhận thức, tất cả đều tận dụng khả năng cảm biến và quản lý tài nguyên của mạng vô tuyến nhận thức.

3.1. Ứng dụng trong viễn thông

Trong lĩnh vực viễn thông, mạng vô tuyến nhận thức có thể giúp cải thiện hiệu suất sử dụng tài nguyên phổ. Bằng cách cho phép các thiết bị tự động phát hiện và sử dụng các phổ tần không sử dụng, mạng này có thể cung cấp dịch vụ cho nhiều người dùng hơn mà không cần tăng cường hạ tầng. Điều này đặc biệt quan trọng trong các khu vực đông dân cư, nơi mà nhu cầu sử dụng dịch vụ không dây rất cao. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp giảm chi phí mà còn nâng cao chất lượng dịch vụ cho người dùng.

3.2. Ứng dụng trong mạng khẩn cấp

Mạng vô tuyến nhận thức cũng có thể được sử dụng trong các tình huống khẩn cấp, nơi mà việc sử dụng tài nguyên hiệu quả có thể cứu sống. Trong các tình huống như thiên tai, mạng vô tuyến nhận thức có thể cung cấp kết nối cho các dịch vụ cứu hộ và hỗ trợ. Công nghệ này cho phép các thiết bị tự động chuyển sang các phổ tần không sử dụng để duy trì kết nối, đảm bảo rằng thông tin quan trọng được truyền tải kịp thời. Điều này cho thấy giá trị thực tiễn của mạng vô tuyến nhận thức trong việc hỗ trợ các hoạt động cứu hộ và ứng phó khẩn cấp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu sử dụng dịch vụ không dây ngày càng tăng, phổ tần vô tuyến trở thành tài nguyên khan hiếm nghiêm trọng. Theo báo cáo của ngành, phổ tần có đăng ký hiện chỉ được sử dụng trung bình khoảng 15-85%, trong khi phổ tần trên 3 GHz gần như không được khai thác hiệu quả. Phương pháp cấp phát phổ cố định truyền thống không đáp ứng được sự biến động về nhu cầu băng thông theo thời gian và không gian, dẫn đến lãng phí tài nguyên phổ. Mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio - CR) được xem là giải pháp đột phá nhằm tận dụng các phổ tần rỗi (hố phổ) mà không gây nhiễu cho người dùng có đăng ký.

Luận văn tập trung nghiên cứu các kỹ thuật cảm biến phổ trong mạng CR, bao gồm cảm biến dựa trên năng lượng (energy detection), cảm biến sử dụng matched filter và cảm biến đặc tính dựa trên ổn định vòng (cyclostationary feature detection). Mục tiêu cụ thể là mô phỏng và triển khai các giải thuật cấp phát tài nguyên phổ dựa trên các kỹ thuật cảm biến này, đồng thời khảo sát và ứng dụng trên KIT ARM LM3S2965 nhằm đánh giá hiệu quả thực tiễn. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong 6 tháng, tập trung vào mô phỏng trên Matlab 2012a và triển khai trên phần cứng ARM Cortex 32-bit.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, góp phần giải quyết bài toán khan hiếm phổ trong truyền thông không dây hiện đại. Các kết quả mô phỏng và triển khai thực nghiệm cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các hệ thống CR ứng dụng trong các mạng không dây thế hệ mới, đặc biệt trong bối cảnh phổ tần ngày càng hạn chế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên ba lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

1. Mô hình mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Network Model): Mạng CR cho phép các thiết bị vô tuyến nhận thức môi trường phổ tần, phát hiện các hố phổ và điều chỉnh tham số truyền nhận để sử dụng phổ hiệu quả mà không gây nhiễu cho người dùng chính (Primary User - PU). Mô hình này bao gồm các thành phần như người dùng chính, người dùng thứ cấp (Secondary User - SU), trạm gốc chính và trạm gốc nhận thức.

2. Kỹ thuật cảm biến phổ (Spectrum Sensing Techniques):

   • Cảm biến dựa trên năng lượng (Energy Detection): Ước lượng mật độ phổ công suất (Power Spectral Density - PSD) của tín hiệu nhận được và so sánh với ngưỡng để phát hiện sự hiện diện của PU.
   • Cảm biến sử dụng matched filter (Matched Filter Detection): Bộ lọc tuyến tính tối ưu nhằm tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) khi dạng sóng PU đã biết trước.
   • Cảm biến đặc tính dựa trên ổn định vòng (Cyclostationary Feature Detection): Phân tích tính tuần hoàn trong tín hiệu để phát hiện đặc điểm nhận dạng của PU, giúp phân biệt tín hiệu PU với nhiễu.

3. Kiến trúc phần cứng ARM Cortex và KIT ARM LM3S2965:
   ARM Cortex-M3 là nền tảng vi xử lý 32-bit với hiệu suất cao, tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp cho các thiết bị di động và ứng dụng nhúng. KIT ARM LM3S2965 được sử dụng để triển khai các giải thuật cảm biến phổ, tận dụng ưu điểm về tốc độ xử lý và khả năng lập trình linh hoạt.

Các khái niệm chính bao gồm: hố phổ (spectrum holes), Dynamic Spectrum Access (DSA), Software Defined Radio (SDR), tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), mật độ phổ công suất (PSD), hàm tượng quan vòng (SCF), và các thuật toán FFT (Fast Fourier Transform).

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu:
  Tài liệu tham khảo từ thư viện trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, các bài báo khoa học trong và ngoài nước, tài liệu kỹ thuật của Texas Instruments về ARM LM3S2965, cùng các chuẩn IEEE liên quan đến mạng vô tuyến nhận thức.

• Phương pháp phân tích:

  • Mô phỏng các giải thuật cảm biến phổ trên phần mềm Matlab 2012a, sử dụng các hàm FFT để ước lượng mật độ phổ công suất và phân tích đặc tính ổn định vòng.
  • Triển khai các giải thuật đã mô phỏng trên KIT ARM LM3S2965, đánh giá hiệu năng thực tế của các kỹ thuật cảm biến phổ trong môi trường phần cứng thực.

• Cỡ mẫu và timeline:
  Thời gian nghiên cứu kéo dài 6 tháng, trong đó 3 tháng đầu tập trung nghiên cứu tài liệu và mô phỏng trên Matlab, 3 tháng tiếp theo triển khai và thử nghiệm trên KIT ARM. Cỡ mẫu dữ liệu tín hiệu mô phỏng được lựa chọn phù hợp để đảm bảo độ chính xác trong ước lượng phổ và phát hiện tín hiệu.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, khả năng tái lập và ứng dụng thực tiễn trong phát triển mạng vô tuyến nhận thức.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của cảm biến phổ dựa trên năng lượng:
   Mô phỏng trên Matlab cho thấy kỹ thuật energy detection có khả năng phát hiện tín hiệu PU với xác suất phát hiện đạt khoảng 0.85 khi SNR ≥ -10 dB. Tuy nhiên, phương pháp này dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu và không phân biệt được tín hiệu PU với các tín hiệu nhiễu khác, dẫn đến xác suất báo sai (false alarm) khoảng 0.15.

2. Ưu điểm của cảm biến sử dụng matched filter:
   Matched filter đạt tỉ số SNR cao nhất trong môi trường AWGN, giúp tăng xác suất phát hiện lên đến 0.95 ở mức SNR thấp hơn -15 dB. Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu biết trước dạng sóng của PU và đồng bộ tín hiệu, làm tăng độ phức tạp triển khai.

3. Hiệu quả của cảm biến đặc tính dựa trên ổn định vòng:
   Cyclostationary feature detection có khả năng phân biệt tín hiệu PU với nhiễu tốt hơn, giảm xác suất báo sai xuống dưới 0.1 và duy trì xác suất phát hiện trên 0.9 ngay cả khi SNR thấp đến -20 dB. Phương pháp này phù hợp với môi trường phổ biến có nhiều loại tín hiệu hỗn hợp.

4. Triển khai trên KIT ARM LM3S2965:
   Các giải thuật cảm biến phổ được triển khai thành công trên KIT ARM với thời gian xử lý trung bình dưới 50 ms cho mỗi lần quét phổ, đáp ứng yêu cầu thời gian thực của mạng CR. Hiệu suất xử lý và tiêu thụ năng lượng của ARM Cortex-M3 phù hợp cho các thiết bị di động và ứng dụng nhúng.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy mỗi kỹ thuật cảm biến phổ có ưu nhược điểm riêng. Energy detection đơn giản, dễ triển khai nhưng kém chính xác trong môi trường nhiễu phức tạp. Matched filter tối ưu về mặt SNR nhưng đòi hỏi thông tin tín hiệu PU đầy đủ, không linh hoạt trong thực tế. Cyclostationary feature detection là giải pháp cân bằng giữa độ chính xác và khả năng phân biệt tín hiệu, phù hợp với các ứng dụng mạng CR đa dạng.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này tương đồng với báo cáo của các trung tâm nghiên cứu mạng không dây hàng đầu như Berkeley Wireless Research Center. Việc triển khai trên KIT ARM LM3S2965 chứng minh tính khả thi của các giải thuật trong môi trường phần cứng thực tế, mở ra hướng phát triển các thiết bị CR nhỏ gọn, hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ xác suất phát hiện và báo sai theo SNR cho từng kỹ thuật, cũng như bảng so sánh thời gian xử lý và tiêu thụ năng lượng trên KIT ARM. Điều này giúp minh họa rõ ràng hiệu quả và giới hạn của từng phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển giải thuật cảm biến phổ kết hợp:
   Kết hợp kỹ thuật energy detection với cyclostationary feature detection để tận dụng ưu điểm của cả hai, nâng cao độ chính xác phát hiện và giảm sai số báo động giả. Thời gian thực hiện trong 12 tháng, do các nhóm nghiên cứu tại các viện công nghệ và doanh nghiệp viễn thông thực hiện.

2. Tối ưu hóa phần cứng ARM cho mạng CR:
   Nâng cấp và tùy chỉnh KIT ARM LM3S2965 hoặc các vi xử lý ARM Cortex thế hệ mới nhằm giảm tiêu thụ năng lượng và tăng tốc độ xử lý, đáp ứng yêu cầu ứng dụng di động. Thời gian thực hiện 6-9 tháng, phối hợp với các nhà sản xuất chip và trung tâm nghiên cứu.

3. Xây dựng chuẩn giao thức quản lý phổ động:
   Thiết kế giao thức MAC và các thuật toán điều phối phổ phù hợp với đặc tính mạng CR, đảm bảo chia sẻ phổ hiệu quả và tránh nhiễu cho người dùng chính. Thời gian thực hiện 1 năm, do các tổ chức tiêu chuẩn và nhóm nghiên cứu mạng không dây đảm nhiệm.

4. Triển khai thử nghiệm thực tế tại các khu vực đô thị và nông thôn:
   Thực hiện khảo sát và thử nghiệm các giải thuật cảm biến phổ và cấp phát tài nguyên trên các mạng thử nghiệm tại một số địa phương để đánh giá hiệu quả trong môi trường thực tế. Thời gian 12-18 tháng, phối hợp với các nhà mạng và cơ quan quản lý phổ tần.

Các giải pháp trên nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, giảm thiểu lãng phí tài nguyên và thúc đẩy phát triển mạng không dây thế hệ mới tại Việt Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông:
   Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mạng vô tuyến nhận thức, kỹ thuật cảm biến phổ và ứng dụng thực tiễn trên phần cứng ARM, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan.

2. Kỹ sư phát triển thiết bị mạng không dây:
   Các kỹ thuật và giải thuật được mô phỏng và triển khai trên KIT ARM giúp kỹ sư thiết kế các thiết bị CR hiệu quả, tiết kiệm năng lượng và đáp ứng yêu cầu thời gian thực.

3. Doanh nghiệp viễn thông và nhà cung cấp dịch vụ mạng:
   Tham khảo để áp dụng các giải pháp quản lý phổ động, nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, giảm chi phí vận hành và cải thiện chất lượng dịch vụ không dây.

4. Cơ quan quản lý phổ tần và chính sách viễn thông:
   Cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng chính sách cấp phát phổ linh hoạt, thúc đẩy phát triển công nghệ mạng CR và quản lý phổ tần hiệu quả hơn.

Câu hỏi thường gặp

1. Mạng vô tuyến nhận thức là gì và tại sao nó quan trọng?
   Mạng vô tuyến nhận thức (CR) là mạng không dây có khả năng nhận biết môi trường phổ tần và điều chỉnh tham số truyền nhận để sử dụng phổ hiệu quả, tránh gây nhiễu cho người dùng chính. Nó quan trọng vì giúp giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần trong truyền thông hiện đại.

2. Các kỹ thuật cảm biến phổ phổ biến trong mạng CR là gì?
   Ba kỹ thuật chính gồm: cảm biến dựa trên năng lượng (energy detection), cảm biến sử dụng matched filter và cảm biến đặc tính dựa trên ổn định vòng (cyclostationary feature detection). Mỗi kỹ thuật có ưu nhược điểm riêng về độ chính xác và độ phức tạp.

3. Tại sao chọn KIT ARM LM3S2965 để triển khai giải thuật?
   KIT ARM LM3S2965 có hiệu suất xử lý cao, tiêu thụ năng lượng thấp, dễ lập trình và chi phí hợp lý, phù hợp cho các thiết bị di động và ứng dụng nhúng trong mạng CR.

4. Phương pháp mô phỏng trên Matlab có ý nghĩa gì?
   Mô phỏng trên Matlab giúp đánh giá hiệu quả các giải thuật cảm biến phổ trong môi trường lý thuyết, từ đó lựa chọn và tối ưu giải thuật trước khi triển khai trên phần cứng thực tế.

5. Làm thế nào để giảm sai số báo động giả trong cảm biến phổ?
   Có thể kết hợp nhiều kỹ thuật cảm biến, sử dụng cảm biến hợp tác giữa các nút mạng, và áp dụng các thuật toán phân tích đặc tính tín hiệu như cyclostationary feature detection để nâng cao độ chính xác và giảm sai số.

Kết luận

• Mạng vô tuyến nhận thức là giải pháp hiệu quả để tận dụng phổ tần rỗi, giải quyết vấn đề khan hiếm phổ trong truyền thông không dây.
• Ba kỹ thuật cảm biến phổ chính gồm energy detection, matched filter và cyclostationary feature detection được nghiên cứu, mô phỏng và triển khai thành công trên KIT ARM LM3S2965.
• Cyclostationary feature detection cho hiệu quả phát hiện cao nhất trong môi trường nhiễu phức tạp, phù hợp cho ứng dụng thực tế.
• KIT ARM LM3S2965 là nền tảng phần cứng phù hợp để triển khai các giải thuật cảm biến phổ trong mạng CR với hiệu suất và tiêu thụ năng lượng tối ưu.
• Hướng phát triển tiếp theo là tối ưu giải thuật kết hợp, nâng cấp phần cứng ARM và triển khai thử nghiệm thực tế nhằm thúc đẩy ứng dụng mạng CR tại Việt Nam.

Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm tiếp tục phát triển và ứng dụng các giải pháp này để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, góp phần phát triển bền vững ngành viễn thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN GIANG CHÂU ÁP DỤNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN PHỔ VÀO VIỆC CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN CHO MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC S K C 0 0 3 9 5 9 NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S KC 0 0 3 9 7 0 Tp. Hồ Chí Minh, 2013 Luan van 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 Luan van QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:  Họ & tên: Phan Giang Châu Giới tính: Nam  Ngày, tháng, năm sinh: 20/11/1983 Nơi sinh: Bến tre  Quê quán: TP. Bến Tre Dân tộc: Kinh  Chức vụ, đơn vị công tác trƣớc khi học tập, nghiên cứu: Nhân viên kỹ thuật  Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 74D ấp 4 Nhơn Thạnh TP. Bến Tre  Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0903 334 779  Fax: E-mail: chau_van2006@yahoo.

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Cao đẳng:  Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ …10/2002 đến 5/ 2005  Nơi học (trƣờng, thành phố): ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM – 01 Võ Văn Ngân Quận Thủ Đức TPHCM  Ngành học: Kỹ thuật điện – điện tử 2. Đại học:  Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2005 đến 8/ 2007  Nơi học (trƣờng, thành phố): ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM – 01 Võ Văn Ngân Quận Thủ Đức TPHCM  Ngành học: Kỹ thuật điện – điện tử  Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Khảo sát các chuẩn giao tiếp ứng dụng trong giao tiếp giữa vi điều khiển và máy tính  Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Bảo vệ tại ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM – 01 Võ Văn Ngân Quận Thủ Đức TPHCM vào tháng 7/2007  Ngƣời hƣớng dẫn: Nguyễn Đình Phú 3. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Tiếng anh (TOEFL 510) III.

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2008 – 2010 Công ty CAS Nhân viên kỹ thuật 2010 – Công ty Hoàng Thiên Nhân viên kỹ thuật 10/2012 2012 - nay Công ty DC tech Nhân viên kỹ thuật Luan van LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 04 năm 2013 Phan Giang Châu Luan van 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 Luan van 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- Luan van ABSTRACT Recently, the increasing demand of wireless services has made the radio spectrum a very scarce resource.

Moreover, most current wireless networks are characterized by fixed spectrum assignment policies. These are known to be very inefficient because licensed bandwidth demands are highly varying along the time and/or space dimensions. Cognitive Radio originated as a possible solution for the shortage of the radio spectrum in advanced communication technology. Cognitive Radio provide the radio nodes with ability to sense the electro-magnetic environment, make short- term predictions, and react by adapting transmission parameters to take advantage use of available resources , e.g, spectrum holes with no interference on the licensed users at all.

This thesis focus on studying spectrum sensing techniques in Cognitive Radio networks such as: energy detection, matched filter detection and cyclostationary feature detection used in spectrum allocation. Algorithms to simulate these techniques were tested by using Matlab 2012a. Finally, this thesis took a quick look at ARM LM3S2965 KIT and implemented these algorithms of spectrum sensing techniques in ARM LM3S2965 KIT. This thesis had chosen ARM LM3S2965 KIT for implementing these technique due to some advantages of ARM technology, for example, high performance, high-speed proccessing, easy to use, low cost, etc.

ARM technology will be a promising hardware for implementing of Cognitive Radio in the near future.  - vi - Luan van DẪN NHẬP Trong chuyên đề 1 đề tài đã tiến hành nghiên cứu tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức, các công trình nghiên cứu đã tiến hành trong và ngoài nƣớc cũng nhƣ các giải thuật áp dụng cho việc cảm biến phổ trong mạng vô tuyến nhận thức. Chuyên đề 2 là sự nối tiếp của chuyên đề 1. Chuyên đề 2 tiếp tục nghiên cứu về cơ sở lý thuyết đặt nền tảng cho sự ra đời của mạng vô tuyến nhận thức, kiến trúc mạng mạng vô tuyến nhận thức và tiến hành mô phỏng cơ chế cấp phát phổ động cho ngƣời sử dụng nhận thức trong mạng vô tuyến nhận thức.

Tiếp theo nghiên cứu, mô phỏng các kỹ thuật và giải thuật cảm biến phổ áp dụng cấp phát tài nguyên phổ cho mạng vô tuyến nhận thức đƣợc thực hiện trong giai đoạn hoàn thành luận văn. Đồng thời, trong phần hoàn thành luận văn đề tài cũng tiến hành khảo sát KIT ARM LM3S2965 và triển khai các giải thuật cảm biến phổ đã mô phỏng trong Matlab 2012a trên KIT ARM LM3S2965.  - vii - Luan van 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 .13 - viii - Luan van 2.6 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 .