Chương 1 TỔNG QUAN KỸ THUẬT CẢM BIẾN PHỔ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 1. Giới thiệu Thông tin vô tuyến đang có tốc độ phát triển nhanh chóng với nhu cầu tốc độ truyền dữ liệu không ngừng tăng, trong khi hệ thống thông tin này đang đối mặt với nguồn phổ tần hạn chế. Điều này đã thúc đẩy sự ra đời của vô tuyến nhận thức CR [34, 35]. Công nghệ CR được xây dựng dựa trên lý thuyết về vô tuyến định nghĩa mềm (SDR: Software Defined Radio) [5].
SDR cung cấp nền tảng cho các hệ thống vô tuyến linh hoạt với khả năng đa dịch vụ, đa chuẩn, đa băng tần, cấu hình lại và lập trình lại bằng phần mềm. Theo chính sách phân bổ phổ tần số cố định (FSA: Fixed Spectrum Allocation) người dùng được cấp phép được quyền sử dụng độc quyền dải tần dài hạn tại vùng cố định. Tại Việt Nam, Cục Tần số vô tuyến điện quản lý việc cấp phép và phân bổ dải tần. Tuy việc phân bổ tần số hiện tại đảm bảo nhiễu thấp, do mỗi hệ thống hoạt động trong một băng tần khác nhau, nhưng việc phân bổ tần số cố định có thể dẫn đến một số phần của các dải tần được cấp phép không sử dụng hoặc sử dụng ít tại một vùng địa lý nào đó [23, 47].
Mặc dù có những dải tần hiện tại không sử dụng, nhưng theo chính sách FSA vẫn không cho phép người dùng khác khai thác các dải tần rỗi này [41]. Chính sách truy cập phổ động (DSA: Dynamic Spectrum Access) đã được đề xuất để thay thế chính sách FSA [23]. Với DSA, phổ tần vẫn được phân bổ cho người dùng được cấp phép, nhưng việc sử dụng nó không phải là độc quyền.1 minh họa việc truy cập phổ động. Người dùng không có 9 giấy phép, được gọi là người dùng thứ cấp (SU) cũng có thể truy cập phổ khi người dùng được cấp phép (chính) không hoạt động [3, 41].
Để có thể sử dụng DSA, các SU cần cảm nhận môi trường phổ tần vô tuyến và SU với khả năng nhận thức như vậy được gọi là người dùng vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive Radio). Một CRN điển hình bao gồm những người dùng chính (PU) và các người dùng thứ cấp (SU), và hoạt động của nó thường xoay quanh các chức năng cảm biến phổ, chia sẻ phổ và xử lý nhận thức, trong đó chức năng cảm biến phổ là chức năng quan trọng nhất của CRN [41]. Năng lượng Tần số Thời gian Phổ đang sử dụng Hố phổ DSA Hình 1. Hố phổ và truy cập phổ động 1.
Vô tuyến nhận thức 1. Cơ bản về vô tuyến nhận thức Thuật ngữ vô tuyến nhận thức xuất hiện lần đầu tiên bởi Joseph Mitola trong [42]. Hiện có nhiều định nghĩa về vô tuyến nhận thức [23, 42, 62], nhưng về cơ bản vô tuyến nhận thức là một hệ thống vô tuyến có khả năng thay đổi các thông số truyền dựa trên việc “nhận thức” được và tương tác với môi trường xung quanh. 10 Hai đặc điểm chính của vô tuyến nhận thức [34]: Khả năng nhận thức: Khả năng nhận thức là khả năng có thể nhận biết những thông tin từ môi trường xung quanh và thực hiện tương tác thời gian thực với nó.
Về mặt phổ tần, khả năng này không chỉ đơn giản là việc giám sát công suất tại một số dải tần mà là các kỹ thuật phức tạp để có thể nắm bắt được sự thay đổi về không gian và thời gian của môi trường vô tuyến để tránh gây nhiễu cho người dùng khác. Thông qua khả năng này, các phần phổ không sử dụng tại một thời điểm hoặc địa điểm cụ thể có thể được xác định vì thế có thể lựa chọn phổ tốt nhất với các thông số hoạt động thích hợp. Khả năng tái cấu hình: Khả năng nhận thức cho phép nhận thức về môi trường xung quanh. Trên cơ sở CR được lập trình động, khả năng tái cấu hình là khả năng điều chỉnh các thông số hoạt động mà không cần sửa các thành phần phần cứng.
Khả năng này cho phép CR thích nghi dễ dàng với môi trường vô tuyến. Một số tham số có thể được cấu hình lại như sau: • Tần số hoạt động: CR có khả năng thay đổi tần số hoạt động. Dựa trên thông tin về môi trường vô tuyến, CR có thể sử dụng tần số hoạt động phù hợp nhất. • Loại điều chế: CR có thể cấu hình lại phương thức điều chế để thích ứng với các yêu cầu của người sử dụng và điều kiện kênh truyền.
Ví dụ, với các ứng dụng đòi hỏi thời gian thực thì cần chọn phương thức điều chế tận dụng được hiệu quả băng tần. Ngược lại, với các ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy cao thì phải chọn phương thức điều chế để đạt tỷ lệ lỗi bit thấp. • Công suất truyền: Công suất truyền có thể được cấu hình lại trong phạm vi công suất của thiết bị. Điều khiển công suất cho phép cấu hình công suất truyền một cách linh hoạt.
Nếu không cần phát công suất cao, CR sẽ làm giảm công suất phát đến mức thấp nhất có thể, để cho phép nhiều người dùng hơn và giảm nhiễu. Ứng dụng vô tuyến nhận thức Vô tuyến nhận thức được ứng dụng rộng rãi trong việc cải thiện hoạt động hệ thống trong thông tin không dây hiện tại cũng như thiết lập các hệ thống thông tin không dây mới. Ví dụ, CR có thể được áp dụng để đơn giản hóa các dịch vụ định vị, tính di động liên tục, hiệu suất tối ưu và sự tồn tại của các hệ thống truyền thông vô tuyến không đồng nhất [10]. CR cũng có thể hỗ trợ các dịch vụ di chuyển không ngắt thông qua khả năng tương tác giữa các hệ thống đa dạng như WMAN, Bluetooth, WIFI.
CR có thể tối ưu hóa việc sử dụng phổ tần, nâng cao tốc độ truyền dữ liệu, đảm bảo tính kinh tế, giảm năng lượng và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Với các công nghệ sử dụng cùng một dải tần như IEEE 802.4 Zigbee và IEEE 802. CRN có thể cung cấp giải pháp để tránh nhiễu cho hệ thống không đồng nhất này và nâng cao hiệu quả hoạt động của chúng bằng việc tích hợp nhiều công nghệ khác nhau như công nghệ phần mềm, SDR và công nghệ cảm biến. Các tiêu chuẩn Gần đây các tiêu chuẩn truyền thông không dây đã bắt đầu tích hợp các tính năng nhận thức.22 là chuẩn không dây đầu tiên dựa trên các kỹ thuật CR nhằm mục đích tăng cơ hội sử dụng các khoảng trắng TV (TVWS TV White Spaces).
Các chuẩn khác liên quan đến CRN bao gồm IEEE 802.11af sửa đổi cho IEEE 802.11 PHY/MAC cho hoạt động TVWS.16h sửa đổi IEEE 802.16 PHY/MAC nhằm phối hợp và không phối hợp giữa người sử dụng đồng nhất hoặc không đồng nhất trong một băng tần không được cấp phép. DySPAN-SC phát triển các tiêu chuẩn cho vô tuyến và quản lý phổ.19 tập trung vào giải quyết sự cùng tồn tại giữa các mạng không dây không cấp phép khác nhau trong nhóm tiêu chuẩn 802. Các kỹ thuật cảm biến phổ 1. Cơ bản về cảm biến phổ Trong các hệ thống CR, những người dùng CR được phép sử dụng các băng tần đã được cấp phép khi băng tần đó PU không sử dụng và phải nhảy sang băng tần khác nếu PU bất ngờ sử dụng.
Do đó SU luôn phải cảm nhận sự thay đổi của môi trường xung quanh bằng việc cảm biến phổ. Cảm biến phổ cho phép các SU thích nghi với môi trường xung quanh bằng việc phát hiện các hố phổ có thể tái sử dụng mà không gây nhiễu cho PU. Mục đích của cảm biến phổ là phát hiện sự hiện diện của PU trong băng tần mà SU đang quan tâm. Cảm biến phổ được giả thuyết bằng mệnh đề sau: H0 : TÝn hiÖu PU kh«ng tån t¹i (1.1) H1 : TÝn hiÖu PU tån t¹i Với giả thuyết trên, H0 tương ứng với PU không truyền tín hiệu, khi đó SU nhận được chỉ là nhiễu.
Ngược lại, H1 tương ứng với PU truyền tín hiệu và khi đó tín hiệu SU nhận được bao gồm tín hiệu và nhiễu. Sự chính xác của kỹ thuật cảm biến phổ được đánh giá bằng các tham số sau: - Xác suất phát hiện, Pd. - Xác suất phát hiện nhầm, Pf. - Xác suất không phát hiện, Pm.
) với: Pd = Pr ( H1 H1 ) (1.) biểu thị xác suất. Xác suất phát hiện Pd biểu thị xác suất mà SU cho rằng PU đang sử dụng kênh truyền và thực tế PU đang sử dụng kênh truyền thật. Xác suất phát hiện nhầm Pf biểu thị xác suất mà SU cho rằng PU đang sử dụng kênh truyền, trong khi kênh truyền thực tế là rỗi. Xác suất không phát hiện Pm biểu thị xác suất SU cho rằng PU không sử dụng kênh truyền, nhưng thực tế PU đang sử dụng kênh truyền.
Do đó, xác suất không phát hiện Pm có thể được tính thông qua Pd như sau: Pm = 1 − Pd (1.5) Đường cong quan hệ giữa Pd và Pf được gọi là đường cong đặc tính nhận (ROC: Receiver Operating Characteristic), đường cong này cũng thường được dùng để đánh giá hiệu quả của các kỹ thuật cảm biến phổ. Việc không phát hiện đúng phổ sẽ có thể gây ra nhiễu cho PU và việc phát hiện nhầm sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ. Do đó, trong CR các SU luôn cần tối ưu hiệu quả phát hiện để xác suất phát hiện là lớn nhất và giảm xác suất phát hiện nhầm. Tùy theo căn cứ, kỹ thuật cảm biến phổ có thể chia làm các loại khác nhau.
Căn cứ vào thông tin của PU, kỹ thuật cảm biến phổ chia làm 2 loại: Loại phát hiện đồng nhất (Cohenrent Detection), cần biết trước một vài thông tin về tín hiệu của PU và loại phát hiện không đồng nhất (Non-cohenrent Detection), không cần thông tin về tín hiệu PU. Căn cứ vào băng tần phát hiện, chia làm 2 loại băng tần hẹp và băng tần rộng. Căn cứ vào hình thức cảm biển phổ chia làm hai loại: cảm biến phổ riêng lẻ (chia theo kỹ thuật xử lý tín hiệu) và cảm biến phổ hợp tác.2 minh họa việc phân loại các kỹ thuật cảm biến phổ [29]. 14 Kỹ thuật cảm biến phổ Các kỹ thuật Cảm biến phổ xử lý tín hiệu hợp tác Các kỹ MFD ED CFD Tập trung Phân tán Kết hợp thuật khác Hình 1.
Phân loại kỹ thuật cảm biến phổ 1. Phát hiện năng lượng ED Nguyên lý của ED dựa trên việc cho rằng năng lượng tín hiệu nhận được luôn có năng lượng lớn hơn năng lượng của nhiễu [21]. ED là kỹ thuật phát hiện không đồng nhất (non – cohenrent), không cần biết các thông tin về PU [21, 40] và có độ phức tạp tính toán thấp [14, 67].