Chương 1 đã giới thiệu và trình bày những vấn đề và khái niệm cơ bản về truyền thông hợp tác. 6 CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC VÀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 2.1 GIỚI THIỆU Chương này trình bày về các khái niệm trong mạng vô tuyến nhận thức, chức năng, các dạng mô hình của mạng CR. Đồng thời chỉ ra ưu và nhược điểm của sự kết hợp của truyền thông hợp tác với mạng vô tuyến nhận thức. Từ đó chỉ ra hướng nghiên cứu để đánh giá hiệu nặng của hệ thống.2 VÔ TUYẾN NHẬN THỨC Gần đây các nhà khoa học định nghĩa những khoảng tần số không được sử dụng là khoảng trắng hay hố phổ: hình 2.
1 “Lỗ” hay hố phổ [5] Hình 2.1 trình diễn lỗ phổ theo thời gian, tần số và công suất. Khó khăn của việc sử dụng hố phổ là những hố phổ này không có cố định mà liêu tục thay đổi theo thời gian tùy vào nhu cầu sử dụng của người sử dụng sơ cấp (Primary users). 7 Do vậy nhu cầu sử dụng phổ ngày càng tăng nên các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu ra mô hình mạng vô tuyến nhận thức, có thể cảm nhận hố phổ và sử dụng tối ưu nhất.1 Khái niệm vô tuyến nhận thức Mạng vô tuyến nhận thức là một mô hình mạng truyền thông di động mà có khả năng phát hiện một cách thông minh những phổ tần có người sử dụng và lập tức chuyển qua những phổ tần không có người sử dụng, điều này sẽ tối ưu hóa việc sử dụng phổ. Cho đến nay có rất nhiều định nghĩa khác nhau về vô tuyến nhận thức như: Theo FCC [6]: Vô tuyến nhận thức là một hệ thống có khả năng nhận biết 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 [7] đưa ra: Vô tuyến nhận thức 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.2 Chức năng vô tuyến nhận thức Mạng vô tuyến nhận thức có bốn chức năng chính. Đó là: Nhận biết phổ (spectrum sensing): việc nhận biết phổ cho phép người dùng thứ cấp (SU) phát hiện các hố phổ một cách chính xác. Hơn thế nữa 8 là điều này phải được thực hiện liên tục để không ảnh hưởng đến hệ thống sơ cấp. Quản lý và quyết định phổ (Spectrum Management and Decision): bao gồm hai chức năng nhỏ là quản lý phổ và quyết định phổ: Quản lý phổ: Khi nhiều hố phổ được phân phối trên một dải tần số rộng thì quản lý phổ sẽ liên quan đến việc lựa chọn cái tốt nhất có thể.
Trong mạng vô tuyến nhận thức, sự lựa chọn được thực hiện bằng cách xem xét công suất truyền, băng thông, sơ đồ điều chế, và sơ đồ mã hóa. Sự lựa chọn cũng phụ thuộc vào tiêu chí chất lượng dịch vụ (QoS) cho nhu cầu của truyền dữ liệu trong mạng CR Quyết định phổ: Trong mạng vô tuyến nhận thức, người dùng thứ cấp, sẽ quyết định khoảng phổ nào đáp ứng tốt nhất yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) Trước khi đưa ra quyết định phổ, các lỗ phổ có sẵn phải được đặc trưng dựa trên các yếu tố sau: o Can nhiễu lên hệ thống mạng sơ cấp o Sự can nhiều trong mạng CR lẫn nhau o Thời gian sử dụng phổ o Băng tần sử dụng o Dung lượng kênh truyền: Đó là tốc độ truyền dữ liệu tối đa theo lý thuyết được truyền bởi một kênh nhất định. Dung lượng kênh C đơn vị tính bằng bit trên giây được tính theo công thức Shannon sau đây S C B log 2 1 (1) NI Trong đó B là băng thông tính bằng Hertz, S là công suất tín hiệu nhận được, N là công suất nhiễu tại máy thu và I là 9 công suất can nhiễu tại máy thu. Các đơn vị của S , N và I là Watts.
Dung lượng kênh truyền là chính tiêu chí để đưa ra quyết định phổ. Chia sẻ phổ (Spectrum Sharing): Chia sẻ phổ đề cập đến sự phân chia hợp lý các lỗ phổ giữa các thiết bị khác nhau trong mạng CR. Nó dựa trên yếu tố và có thể được thực hiện theo thời gian, tần số, mã và thậm chí cả kích thước không gian. Nó cũng được thiết kế để tránh nhiễu mạng sơ cấp[8].
Hơn thế nữa, chia sẻ phổ còn liên quan đến người dùng sơ cấp (PU). Điều này hiển thị rõ khi mạng CR dạng nền trong đó việc truyền dữ liệu xảy ra đồng thời. Trong trường hợp như vậy, chia sẻ phổ sẽ ưu tiên cho PU. Biến đổi phổ (Spectrum Mobility): Điều này đề cập đến khả năng các người dùng mạng CR chuyển giao giữa các lỗ phổ khác nhau một cách liền mạch tùy thuộc vào các điều kiện.
Chúng bao gồm những PU sử dụng lại các hố phổ,người dùng thứ cấp (SU) có nhu cầu tăng băng thông lên để tăng tốc độ truyền dữ liệu giữa những SU khác nhau. Sự chuyển đổi giữa các lỗ phổ khác nhau được gọi là biến đổi phổ (15). Đây là tương tự như chuyển giao tế bào truyền thống trong mạng di động, chuyển từ trạm này đến một trạm khác (với các mã / khe thời gian / tần số khác nhau, v.) khi điều kiện của các tế bào hiện tại xấu đi. Tuy nhiên, việc biến đổi phổ phải được diễn ra liên tục để tránh xảy ra độ trễ trong mạng CR.4 trình bày chu kỳ cảm nhận phổ tần tương tác với môi trường vô tuyến với các chức năng nêu trên [9]: 10 cảm nhận Mạng vô tuyến Thích nghi nhận thức Phân tích Quyết định hình 2.
2 Chu kỳ cảm nhận phổ tần 2.3 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức Theo giáo sư Goldsmith [10], có ba loại mô hình cho mạng vô tuyến nhận thức bao gồm: dạng nền (underlay), dạng chồng chập (overlay) và đang xen (interweave).1 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền (underlay) Trong mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền, mạng thứ cấp và mạng sơ cấp hoạt động đồng thời trên cùng một dải tần số trong đó công suất phát của mạng thứ cấp phải được điều chỉnh sao cho công suất can nhiễu gây ra trên mạng sơ cấp nhỏ hơn một ngưỡng quy định trước , I P. Quá trình truyền và nhận dữ liệu của mạng thứ cấp không được gây hại cho hệ thống mạng sơ cấp. Do đó, mạng CR dạng nền thường có vùng phủ sóng nhỏ. 3 Mạng vô tuyến nhận thức dạng nền [11] 2.2 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng chồng chập (overlay) Còn trong mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng chồng chập, người dùng thứ cấp hoạt động đồng thời trên cùng dải tần với người dùng sơ cấp với giả định hai hệ thống có thể trao đổi thông tin, kết hợp với nhau để loại bỏ can nhiễu.
Bên cạnh đó, người dùng thứ cấp có thể hỗ trợ người dùng sơ cấp trong quá trình truyền dữ liệu như những nút chuyển tiếp. Việc xử lý tín hiệu giữa hai hệ thống còn phức tạp đó là hạn chế của mô hình này hình 2. 4 Mạng vô tuyến nhận thức dạng chồng chập [11] 12 2.3 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng đan xen (interweave) Mô hình vô tuyến nhận thức dạng đan xen là mô hình hoạt động dựa trên khái niệm lỗ phổ, nghĩa là mạng thứ cấp có khả năng tìm kiếm các lỗ phổ để sử dụng cho mục đích truyền phát dữ liệu mà không ảnh hưởng hoạt động của mạng sơ cấp. Do đó, mô hình này cần mạng thứ cấp phải biết được thông tin truyền phát dữ liệu của mạng sơ cấp và mạng thứ cấp sẽ dừng truyền khi mạng sơ cấp truyền phát trở lại để tránh gây can nhiễu cho mạng sơ cấp.
Tuy nhiên, nhược điểm của mô hình này là thời gian truyền phát dữ liệu do mạng thứ cấp hoàn toàn phụ thuộc vào mạng sơ cấp. Trong một số trường hợp, mạng sơ cấp thực hiện việc truyền phát liên tục thì mạng thứ cấp không đảm bảo được hoạt động. Do đó, việc kết hợp mô hình này và mô hình underlay, hay còn gọi là mô hình lai, là một giải pháp hữu hiệu 13 2.4 Cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức hình 2. 5 Cấu trúc của mạng vô tuyến nhận thức [12] Các thành phần cấu trúc của mạng vô tuyến nhận thức, như hình 2.5, có thể phân thành hai nhóm là mạng sơ cấp (Primary network) và mạng vô tuyến nhận thức (CR network).1 Mạng sơ cấp (Primary network) Người dùng sơ cấp (PU): người dùng sơ cấp được phép hoạt động trong một dải băng tần nhất định.
Truy nhập này chỉ được giám sát bởi trạm gốc sơ cấp (Primary base station) và không bị ảnh hưởng bởi việc truyền phát dữ liệu của những người dùng không được cấp phép khác. 14 Trạm gốc mạng sơ cấp (Primary base station): Trạm gốc mạng sơ cấp là thành phần cơ sở hạ tầng được cố định.2 Mạng vô tuyến nhận thức (CR network) Mạng vô tuyến nhận thức (hay mạng thứ cấp) không có giấy phép sử dụng những dải băng tần mong muốn. Do đó, nó chỉ được phép truy cập phổ khi có cơ hội. Mạng CR bao gồm mạng có cơ sở hạ tầng và mạng ad hoc Người dùng CR (CR user): Người dùng CR không có giấy phép sử dụng phổ.
Do đó, người dùng CR chỉ có thể sử dụng hố phổ của mạng sơ cấp. Trạm gốc CR (CR base station): là thành phần của cơ sở hạ tầng mạng CR. Trạm gốc CR có khả năng kết nói với các người dùng CR mà không cần cấp giấy phép truy nhập phổ. Thông qua kết nối này, người dùng CR có thể truy nhập vào các đến các mạng khác.
Bộ phân chia phổ (Spectrum broker): là một thực thể mạng trung tâm đóng vai trò trong việc phân chia tài nguyên phồ tần giữa các mạng CR khác nhau.3 TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC ĐA CHẶNG TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 2.