CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN KHẢ TRI Tần số là một nguồn tài nguyên vô cùng quý giá trong thông tin vô tuyến. Hiện nay, tần số vẫn còn là một nguồn tài nguyên hạn chế. Sự gia tăng nhu cầu của thông tin không dây kéo theo nhu cầu cải thiện chất lượng về lưu lượng, tính tin cậy, dịch vụ. Có rất nhiều ứng dụng vô tuyến cùng sử dụng nguồn tài nguyên hạn chế này.
Hiện nay, các mạng vô tuyến đều có đặc điểm là sử dụng những dải tần số cố định. Tức là hệ thống đều được thiết kế để hoạt động trên dải tần mà nó được cấp phép. Trước hết, một số dải tần được ấn định cho các mục đích tối quan trọng của xã hội như các dịch vụ khẩn cấp, đảm bảo an toàn, dịch vụ hàng không… Các dải tần khác được ấn định cho những mục đích sử dụng mang tính thương mại như phát thanh, truyền hình, điện thoại di động…Cuối cùng, có một khối lượng nhỏ phổ tần số không cần cấp phép và bất kỳ người nào cũng có quyền sử dụng nó. Vô tuyến khả tri CR (Cognitive Radio) được nghiên cứu để cho phép đầu cuối vô tuyến có thể cảm nhận, nhận biết và sử dụng linh hoạt phổ tần tại thời điểm xác định.
Việc sử dụng phổ tần có sẵn này hoàn toàn là dựa trên việc hành động đúng lúc. Về nguyên lí, ta có thể chiếm dụng bất kì vùng phổ dỗi ngay khi người dung sơ cấp của vùng phổ này chuyển sang vùng phổ khác. Dẫn đến sự xuất hiện truy nhập phổ động DSA dựa trên vô tuyến khả tri. Khái quát hóa sau này làm cho vô tuyến khả tri cơ bản là một thiết bị không dây khả tri, thích ứng và linh hoạt.
Việc nghiên cứu vô tuyến khả tri được quan tâm rộng rãi trong những năm gần đây. Dải tần số hạn chế và thiếu hiệu quả trong việc khai thác sử dụng phổ tần đòi hỏi một mô hình mạng mới nhằm khai thác hiệu quả mạng không dây hiện tại, dẫn đến sự ra đời của vô tuyến khả tri. Mạng thế hệ tiếp theo (xG) sẽ là mạng tích hợp có hi vọng áp dụng mạng truy nhập phổ tần động DSA (Dynamic spectrum access) và mạng vô tuyến khả tri CNR (Cognitive Radio Network). Khái niệm vô tuyến khả tri Định nghĩa “vô tuyến khả tri” được nhìn nhận theo rất nhiều cách khác nhau, và các định nghĩa này vẫn đang được phát triển trong các Viện nghiên cứu và các tổ chức chuẩn, như IEEE-1900 và diễn đàn SDR.
Vô tuyến khả tri hoàn toàn có thể được định nghĩa như là “…một vô tuyến có thể nhận biết được môi trường xung quanh và thích ứng một cách khả tri”, nghĩa là vô tuyến khả tri là một thiết bị vô tuyến linh hoạt và khả tri, có thể thích ứng với sự thay đổi của môi trường, với yêu cầu của người dùng đó và các yêu cầu của những người dùng vô tuyến khác cùng chia sẻ môi trường phổ. Tồn tại một số định nghĩa về vô tuyến khả tri như: Theo FCC: Vô tuyến khả tri là vô tuyến có thể thay đổi các thông số truyền dựa trên sự cảm nhận với môi trường mà nó hoạt động. Theo đó, vô tuyến khả tri là một hệ thống có khả năng cảm biến môi trường xung quanh và điều chỉnh các các tham số hoạt động của nó để tối ưu hoá hệ thống dưới dạng: tối đa băng thông, giảm can nhiễu, truy nhập phổ tần động Định nghĩa do giáo sư Simon Hayskin – cha đẻ của vô tuyến khả tri: vô tuyến khả tri 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 Theo IEEE: “Vô tuyến khả tri là hệ thống phát/nhận tần số vô tuyến mà được 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.2 Kiến trúc mạng vô tuyến khả tri Mạng vô tuyến khả tri đang được phát triển để giải quyết các vấn đề của mạng không dây hiện nay, liên quan tới sự hạn hẹp của phổ tần và thiếu hiệu quả trong sử dụng phổ tần. CRN đem lại khả năng nhận biết phổ tần trong môi trường vô tuyến.
Các kiến trúc mạng không dây đang tồn tại sử dụng hỗn hợp nhiều chính sách phổ và công nghệ truyền thông khác nhau. Hơn nữa, một số phần phổ vô tuyến đã được cấp phép cho các mục đích khác nhau trong khi một số băng vẫn chưa được cấp phép. 6 Băng phổ Băng không cấp phép Người dùng CR Bộ phân chia phổ 0 Băng cấp phép I 0 Trạm gốc chính Truy nhập mạng Các mạng chính CR khác Người dùng chính Truy nhập Trạm gốc CR mạng CR Băng cấp phép II 0 Truy nhập ad hoc CR Người dùng CR Trạm gốc chính Người dùng chính Các mạng chính Mạng CR Mạng CR (không cần cơ sở hạ tầng) (có cơ sở hạ tầng) Hình 1.1: Kiến trúc mạng vô tuyến khả tri. Các thành phần kiến trúc của mạng vô tuyến khả tri, như Hình 1.1 có thể chia thành hai phần là mạng sơ cấp (primary network) và mạng khả tri.
Các thành phần cơ bản : Mạng sơ cấp (Primary network): Cơ sở hạ tầng mạng đang tồn tại thường gọi là mạng sơ cấp, mạng này có quyền truy nhập tới một vài băng tần nhất định, chẳng hạn như mạng TV quảng bá, hay các mạng tổ ong nói chung. Các thành phần của mạng sơ cấp bao gồm: Người dùng sơ cấp (Primary user-PU): Người dùng sơ cấp (hay người dùng được cấp phép) có giấy phép để hoạt động trong một băng tần nhất định. Truy nhập này chỉ được giám sát bởi trạm gốc sơ cấp và không bị ảnh hưởng bởi những hoạt động của bất kì người dùng không được cấp phép khác. Để cùng tồn tại với các trạm gốc vô tuyến khả tri và người dùng vô tuyến khả tri, những người dùng sơ cấp này không cần phải thay đổi hay thêm chức năng gì.
Trạm gốc sơ cấp (Primary base-station): Trạm gốc sơ cấp (hay trạm gốc được cấp phép) là thành phần cơ sở hạ tầng mạng cố định, có giấy phép phổ, như BTS trong mạng tổ ong. Về nguyên tắc, trạm gốc sơ cấp không có khả năng chia sẻ phổ với những người dùng vô tuyến khả tri, tuy nhiên có thể thêm chức năng này. 7 Mạng vô tuyến khả tri: Mạng vô tuyến khả tri (hay mạng CR, mạng Truy nhập phổ tần động, mạng thứ cấp, mạng không được cấp phép) không có giấy phép để hoạt động trong băng mong muốn. Do đó, nó chỉ được phép truy nhập phổ khi có cơ hội.
Các mạng vô tuyến khả tri có thể được sử dụng cả mạng cơ sở hạ tầng và mạng ad hoc. Các thành phần của mạng vô tuyến khả tri: Người dùng vô tuyến khả tri: (hay người dùng CR, người dùng không được cấp phép, người dùng thứ cấp- Secondary user -SU) không có giấy phép sử dụng phổ. Do đó, cần có thêm các chức năng để chia sẻ băng cấp phép. Trạm gốc vô tuyến khả tri: Trạm gốc vô tuyến khả tri (hay trạm gốc CR, trạm gốc không được cấp phép, trạm gốc thứ cấp) là thành phần cơ sở hạ tầng cố định với các khả năng của vô tuyến khả tri.
Trạm gốc vô tuyến khả tri cung cấp kết nối đơn chặng tới những người dùng vô tuyến khả tri mà không cần giấy phép truy nhập phổ. Thông qua kết nối này, người dùng vô tuyến khả tri có thể truy nhập đến các mạng khác. Bộ phân chia phổ: Bộ phân chia phổ (hay server lập lịch) là một thực thể mạng trung tâm đóng vai trò trong việc chia sẻ các tài nguyên phổ tần giữa các mạng vô tuyến khả tri khác nhau. Bộ phân chia phổ có thể kết nối với từng mạng và có thể phục vụ với tư cách là người quản lí thông tin phổ, nhằm cho phép các mạng vô tuyến khả tri cùng tồn tại.1 đưa ra một kiến trúc mạng vô tuyến khả tri tham khảo.
Mạng vô tuyến khả tri bao gồm nhiều loại mạng khác nhau: mạng sơ cấp, mạng vô tuyến khả tri, và mạng vô tuyến khả tri ad hoc. Các mạng vô tuyến khả tri hoạt động dưới môi trường phổ hỗn hợp, bao gồm cả các băng được cấp phép và không được cấp phép. Do đó, trong mạng vô tuyến khả tri, có ba loại truy nhập khác nhau, đó là: Truy nhập mạng vô tuyến khả tri (CR network access): Người dùng vô tuyến khả tri có thể truy nhập tới chính trạm gốc vô tuyến khả tri ở cả băng được cấp phép và không được cấp phép. Truy nhập mạng vô tuyến khả tri ad hoc (CR ad hoc access): Người dùng vô tuyến khả tri có thể truyền thông với những người dùng vô tuyến khả tri khác thông qua kết nối ad hoc ở cả băng được cấp phép và không được cấp phép.
Truy nhập mạng sơ cấp (Primary network access): Người dùng vô tuyến khả tri cũng có thể truy nhâp tới trạm gốc sơ cấp thông qua băng được cấp phép. Chu trình hoạt động của vô tuyến khả tri Khả năng nhận thức cho phép vô tuyến khả tri tương thích với các thay đổi của môi trường để xác định các thông số truyền thích hợp và thích ứng với môi trường vô tuyến động. Nhiệm vụ yêu cầu cho hoạt động thích ứng trong dải phổ tần được minh họa ở hình 1.2 gọi là chu trình khả tri. Ta tóm tắt ba bước cơ bản trong chu trình khả tri: cảm nhận phổ, phân tích phổ và quyết định phổ như sau: Cảm nhận phổ: Vô tuyến khả tri giám sát các băng phổ khả dụng, nắm bắt các thông tin của chúng và sau đó phát hiện ra các hố phổ.
Phân tích phổ: Các đặc tính của hố phổ có được thông qua cảm nhận phổ sẽ được ước tính. Quyết định phổ: Vô tuyến khả tri quyết định tốc độ dữ liệu, chế độ truyền và băng tần truyền. Sau đó, băng phổ phù hợp sẽ được chọn thông qua các đặc tính phổ và yêu cầu của người dùng. Chu trình nhận thức trong vô tuyến khả tri 1.
