Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Trình bày các lý thuyết cơ bản về đề tài bao gồm tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức (trình bày sự ra đời, đưa ra các khái niệm, kiến trúc vật lý, các chức năng, các mô hình và ứng dụng của mạng vô tuyến nhận thức), đa truy cập không trực giao NOMA (trình bày hai phương pháp thực thi NOMA gồm NOMA miền công suất và NOMA miền mã, ở NOMA miền công suất tập trung làm rõ hai kỹ thuật SC và SIC), truyền thông cộng tác (trình bày về truyền thông chuyển tiếp nêu hai kỹ thuật quan trọng để xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp gồm AF và DF, kỹ thuật phân tập) cuối cùng là trình bày về kênh truyền fading Rayleigh. 15 - Chương 3: Phân tích mô hình, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu, - SNR, đưa ra các công thức toán học về xác suất dừng hoạt động và thông lượng của hệ thống. - Chương 4: Mô phỏng kiểm chứng và đánh giá hiệu năng. - Kết luận và kiến nghị là phần sẽ trình bày rõ các kết quả đạt được trong quá trình nghiên cứu, đồng thời đưa ra các phương hướng cho những nghiên cứu sau này.
16 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mạng vô tuyến nhận thức - Cognitive Radio (CR) 2.1 Sự ra đời của mạng vô tuyến nhận thức Theo nhiều báo cáo của các nhóm nghiên cứu ở trong nước [12] lẫn ở thế giới, thì hầu hết mức độ chiếm dụng phổ tần số theo thời gian và địa điểm sẽ nhỏ hơn 50%, trừ các trường hợp phổ tần số sử dụng riêng cho thông tin di động và sử dụng cho mục đích quảng bá.1 Biểu diễn hố phổ. Hố phổ được định nghĩa là một dải tần số được cấp phép cho người dùng sơ cấp (PU) sử dụng. Tuy nhiên, dải tần này vẫn chưa được người dùng sơ cấp sử dụng tại một địa điểm và thời gian cụ thể nào đó. Một trong những khó khăn khi sử dụng hố phổ này là chúng không có cố định mà thay vào đó chúng thay đổi không ngừng tùy thuộc vào hệ thống sơ cấp có nhu cầu sử dụng ra sao.
Chính vì thế, nền viễn thông toàn cầu đặt ra yêu cầu cấp bách và quan trọng là cho ra đời một hệ thống vô tuyến nhận thức có khả năng sử dụng được các khoảng trắng trong dải phổ tần số. Sự xuất hiện của vô tuyến nhận thức chính là 17 giải pháp hữu hiệu giúp tài nguyên tần số vô tuyến được sử dụng một cách hiệu quả [13].2 Khái niệm vô tuyến nhận thức Vô tuyến nhận thức có khả năng tự nhận thức và thay đổi các thông số truyền để tối ưu hóa hệ thống nhờ việc tương tác với môi trường xunh quanh. Từ trước đến nay có nhiều định nghĩa về CR, một vài định nghĩa được đưa ra như sau: Dựa theo IEEE: CR được xem là hệ thống phát và nhận tần số vô tuyến, có thiết kế để thông minh 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. Dựa theo FCC: CR có thể hiểu là một hệ thống có thể nhận biết môi trường xung quanh, đồng thời điều chỉnh các các thông số hoạt động nhằm tối ưu hoá hệ thống (giảm thiểu nhiễu , tối đa băng thông và truy nhập phổ tần động).
Dựa theo ITU: CR là một hệ thống cảm biến và nhận biết về môi trường hoạt động và có thể tự động điều chỉnh các thông số hoạt động của nó cho phù hợp.3 Software Defined Radio (SDR) Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) là một kiến trúc phần cứng kết hợp phần mềm. Có thể dễ dàng thay đổi các thông số thông qua phần mềm. SDR có thể được minh họa bằng cách tham chiếu đến mô hình OSI. SDR hoạt động trên hai lớp dưới của mô hình OSI là Vật lý và lớp Liên kết dữ liệu như trong Hình 2.2 SDR theo mô hình OSI 2.4 Software Defined Radio và vô tuyến nhận thức CR có thể thay đổi các tham số của nó theo môi trường để cho phép người dùng giao tiếp một cách hiệu giảm sự can nhiễu giữa PU và SU, cũng như giữa các SU.
CR nhận thức được môi trường bằng cách giám sát tích cực các quang phổ. SDR có thể được cấu hình lại tùy theo yêu cầu của người dùng. Mối quan hệ giữa CR và SDR được đưa ra trong Hình.3 Software Defined Radio và vô tuyến nhận thức CR có thể thay đổi các tham số thu/phát của nó bằng cách giám sát tích cực phổ vô tuyến, hoạt động của người dùng và các thông số khác giúp giao tiếp hiệu quả và giảm thiểu sự giao thoa giữa PU và SU. SDR có thể cấu hình lại hoàn toàn tự động thay đổi các thông số của nó tùy thuộc vào mạng và các yêu cầu của người dùng.
Vì 19 vậy, bằng cách thay đổi các thông số giao tiếp một cách thích ứng, SDR có thể đáp ứng sự linh hoạt cần thiết mà CR cần.5 Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức Hình 2.4 Mạng vô tuyến nhận thức Mạng được chia thành hai phần, mạng sơ cấp và mạng vô tuyến nhận thức. Các kiến trúc chung của mạng vô tuyến nhận thức được đưa ra trong Hình 2. Mạng sơ cấp có mức sử dụng phổ tần cao. Mặt khác, mạng vô tuyến nhận thức không được cấp phép hoạt động trong một băng tần mong muốn.1 Mạng sơ cấp Mạng sơ cấp là mạng được cấp phép sử dụng phổ vô tuyến.
Các mạng sơ cấp phổ biến bao gồm các công ty phát sóng truyền hình và mạng di động. [14] - Người dùng sơ cấp: Người dùng sơ cấp còn có tên gọi khác là người dùng được cấp phép là người dùng hợp pháp của mạng sơ cấp. Hoạt động của PU được điều khiển hoàn toàn bởi trạm gốc sơ cấp. [14] 20 - Trạm gốc sơ cấp: Trạm gốc sơ cấp là một mạng lưới cơ sở hạ tầng cố định như trạm thu phát sóng (BTS) trong hệ thống di động.
Trạm gốc sơ cấp không thể quản lý việc chia sẻ phổ tần giữa PU và SU nhưng nó có thể tự sửa đổi theo yêu cầu.2 Mạng vô tuyến nhận thức Mạng vô tuyến nhận thức là mạng không được cấp phép sử dụng phổ tần. Do đó, nó sử dụng phổ khi phổ nhàn rỗi. Mạng vô tuyến nhận thức được thực hiện như một và một mạng đặc biệt. Các phần chính của mạng vô tuyến nhận thức như sau [14]: - Người dùng vô tuyến nhận thức: Người dùng nhận thức là người dùng thứ cấp và không được cấp phép sử dụng phổ và sử dụng phổ một cách cơ hội.
- Trạm gốc vô tuyến nhận thức: Nó có một cơ sở hạ tầng cố định và có khả năng giúp các SU truy cập các mạng khác.6 Kiến trúc vật lý Hệ thống thu và phát vô tuyến nhận thức có hai thành phần chính quan trọng gồm: Phần cao tần (RF font end) được thể hiện ở Hình 2.5 và phần xử lý băng gốc (Baseband Processing Unit). Qua đường điều khiển (Control), cả hai phần trên đều có thể được cấu hình lại nhằm mục đích thích ứng với sự thay đổi của điều kiện môi trường xung quanh. Phần xử lý băng gốc tương tự như các hệ thống thu phát thông thường. Phần RF font end tạo nên sự khác biệt và tiến bộ của CR.5 Sơ đồ khối phần vô tuyến của CR 21 - Bộ lọc cao tần (RF Filter): chọn băng tần mong muốn bằng cách lọc thông dải tín hiệu RF nhận được.
- Bộ khuếch đại nhiễu (tạp âm) thấp (LNA-Low noise amplifier): Có chức năng loại bỏ tập âm tần số ảnh, đồng thời khuếch đại nhiễu thấp tín hiệu đầu vào máy thu đến mức phù hợp để chuyển đổi tần và cải thiện độ nhạy của máy thu. LNA thường có một đến ba tầng khuếch đại tuyến tính, có điều hưởng chọn lọc tần số-băng thông và khuếch đại tín hiệu, hơn nữa giúp giảm tín hiệu nhiễu. - Bộ trộn tần (MIXER): Trong bộ trộn, tín hiệu nhận được tại phía máy thu được trộn với tần số gốc và được chuyển đổi thành băng tần gốc hoặc tần số trung tâm. - Bộ VCO (Voltage controlled oscillator): VCO tạo ra một tín hiệu ở một tần số cụ thể tương ứng với một điện áp nhất định để trộn với tín hiệu đến.
- Vòng khóa pha PLL (Phase locked loop): PLL đảm bảo rằng tín hiệu được khóa ở một tần số cụ thể. - Bộ lọc chọn kênh (Channel selection filter): Bộ lọc chọn kênh được sử dụng để chọn kênh mong muốn và loại bỏ các kênh lân cận. Có hai loại bộ lọc chọn kênh: Bộ thu chuyển đổi trực tiếp sử dụng bộ lọc thông thấp để chọn kênh và bộ thu superheterodyne sử dụng bộ lọc thông dải. - Bộ điều khiển độ lợi tự động (AGC - Automatic gain control): AGC cho phép điều chỉnh mức khuếch đại hoặc mức công suất đầu ra của bộ khuếch đại bằng cách điều chỉnh điện áp phân cực.7 Các đặc tính của mạng vô tuyến nhận thức Có hai đặc tính chính của vô tuyến nhận thức [14] đó là: - Khả năng nhận thức: Được nhận định là khả năng thu thập và nhận biết thông tin từ môi trường vô tuyến xung quanh.
Tác giả Mitola đã đưa ra khái niệm trong [15] đó là “một vô tuyến nhận thức thường xuyên quan sát môi trường, tự định hướng, tạo kế hoạch, quyết định và sau đó là hành động”. 22 - Khả năng tái cấu hình: là khả năng thay đổi các tính năng, mà vô tuyến nhận thức được phép lập trình một cách linh hoạt để phù hợp với môi trường truyền dẫn vô tuyến (tần số, công suất phát, lược đồ điều chế, giao thức truyền thông).6 Chu trình nhận thức 2.8 Chức năng - Cảm biến phổ: là một trong những thành phần chính của khái niệm CR. Cho phép SU nhận biết sự tồn tại của PU để phát hiện ra hố phổ và sử dụng những hố phổ này để truyền tín hiệu mà không gây trở ngại đến hệ thống sơ cấp. - Quản lý phổ: bao gồm hai chức năng.
+ Phân tích phổ: Tiến hành tính toán dung lượng phổ và phân tích những hố phổ nào có chất lượng tốt nhất. Nhiễu xuyên kênh và suy hao cần được chú ý trong quá trình tính toán ước lượng phổ. Ngoài ra, còn có những yếu tố khác như thời gian trễ, tốc độ lỗi liên kết và thời gian chiếm dụng cũng cần phải lưu ý. Dung lượng phổ được tính theo công thức như: 23 C=Blog 1+( NS+ I ) (2-1) Trong đó: B: Băng thông.
S: Công suất tín hiệu được nhận từ người dùng CR. N: Công suất nhiễu.