Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 1.1 Giới thiệu Trong những năm gần đây, công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio – CR) được xem như là một giải pháp tiềm năng để cải thiện độ chiếm dụng phổ tần, bị giới hạn bởi chính sách phân bố phổ tần cố định. Ý tưởng cơ bản của vô tuyến nhận thức là cho phép các người dùng không đăng ký sử dụng tần số (người dùng thứ cấp - secondary user - SU) tận dụng các băng tần đã được cấp phép miễn là nó không gây ảnh hưởng đến việc truyền dữ liệu của các người dùng đã đăng ký tần số (người dùng sơ cấp - primary user - PU). Do đó, CR được xem là chìa khóa để giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần. Vô tuyến nhận thức là hệ thống mà các phần tử của nó có khả năng thay đổi các tham số (công suất, tần số) trên cơ sở tương tác với môi trường hoạt động.
Việc ứng dụng của vô tuyến nhận thức sẽ tạo ra cơ hội khai thác hiệu quả các khoảng trắng tần số. Vô tuyến nhận thức không chỉ là công nghệ vô tuyến mới mà còn chứa những thay đổi mang tính cách mạng trong việc quản lý phổ. Vô tuyến mới này được thiết kế để sử dụng và chia sẻ phổ tần linh hoạt mà không ảnh hưởng đến các hệ thống vô tuyến được cấp phép. Khả năng thay đổi các tham số công suất, tần số,…dựa trên một cảm biến thông minh hoạt động xoay vòng (cycle): sensing-understandingaction trên cơ sở tương tác với môi trường hoạt động.
Theo đó, thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDR (Sotware Defined Radio) sẽ là phần tử quan trọng trong hệ thống vô tuyến nhận thức vì các tham số của thiết bị SDR được thay đổi một cách linh động bằng phần mềm mà không cần phải thay đổi cấu trúc phần cứng. Mục đích của vô tuyến nhận thức là cho phép các thiết bị vô tuyến khác hoạt động trên các dải tần còn trống tạm thời mà không gây can nhiễu đến các hệ thống vô tuyến có quyền ưu tiên cao hơn hoạt động trên dải tần đó. Để cho phép tận dụng 1 Luan van tối đa tài nguyên phổ tần như trên, vô tuyến nhận thức phải có những tính năng cơ bản sau: - Điều chỉnh tần số hoạt động của hệ thống một cách tức thời từ một băng tần này đến một băng tần khác (còn trống) trên dải tần cho phép. - Thiết lập mạng thông tin và hoạt động trên một phần hoặc toàn bộ băng tần được cấp phát.
- Chia sẻ kênh tần số và điều khiển công suất thích ứng theo điều kiện cụ thể của môi trường vô tuyến mà ở đó tồn tại nhiều loại hình dịch vụ vô tuyến cùng chiếm dụng. - Thực hiện thích ứng độ rộng băng tần, tốc độ truyền và các sơ đồ mã hóa sửa lỗi để cho phép đạt được thông lượng tốt nhất có thể. - Tạo búp sóng và điều khiển búp sóng thích ứng theo đối tượng truyền thông nhằm giảm thiểu nhiễu đồng kênh và tối đa cường độ tín hiệu thu. Xét về khía cạnh hiệu suất sử dụng phổ, mô hình dạng nền cho kết quả tốt hơn so với mô hình còn lại vì đặc tính cho phép hai hệ thống hoạt động đồng thời tại một thời điểm.
Tuy nhiên, do tính chất của mô hình dạng nền, công suất phát của các thiết bị thuộc hệ thống thứ cấp bị giới hạn dưới một ngưỡng cho trước, dẫn đến phạm vi vùng phủ sóng bị giới hạn. Để giải quyết bài toán mở rộng vùng phủ sóng cho hệ thống PU, hướng nghiên cứu phối hợp công nghệ truyền thông chuyển tiếp vào trong mạng CR đã và đang thu hút nhiều sự quan tâm của nhà nghiên cứu trong những năm gần đây. Điểm chuyển tiếp sử dụng hoặc kỹ thuật Khuếch đại và chuyển tiếp (AF) hoặc Giải mã và chuyển tiếp (DF) để chuyển dữ liệu. Hiện nay, các thiết bị không dây được con người sử dụng ngày càng nhiều và các thiết bị không dây này thường sử dụng pin để cung cấp nguồn cho thiết bị hoạt động, vì sử dụng pin nên nó có một thời gian hoạt động nhất định vì vậy để duy trì các kết nối một cách liên tục thì phải thực hiện thay thế nguồn pin hoặc nạp năng lượng trong khi đang sử dụng bằng cách gắn vào bộ sạc là vấn đề bất tiện và đôi khi không thể.
Vì thế, người ta nghĩ đến một cách khác để cung cấp nguồn năng lượng cho thiết bị hoạt động mà vẫn khác phục được mặc hạn chế trên. Đó là thu gom 2 Luan van năng lượng cũng như sử dụng các nguồn năng lượng sạch có từ các nguồn tài nguyên thiên nhiên bên ngoài như năng lượng mặt trời, gió. để tái tạo và cung cấp nguồn cho thiết bị hoạt động đã nhận được rất nhiều sự quan tâm. Vì nó cung cấp một giải pháp hiệu quả để kéo dài hoạt động một cách liên tục cho các thiết bị truyền thông không dây.
Tuy nhiên, nguồn năng lượng thu được từ tài nguyên thiên nhiên đó thì rất ngẫu nhiên và phụ thuộc vào nhiều yếu tố chưa thể kiểm soát được như điều kiện thời tiết làm cho điều này chưa đạt được độ tin cậy cao. Một giải pháp thú vị để khắc phục những hạn chế trên là thu năng lượng từ nguồn năng lượng bức xạ tín hiệu vô tuyến (RF) do con người tạo ra (gọi là chuyển giao năng lượng không dây) [1], [2]. Qua đó, đã có một số công trình nghiên cứu về vô tuyến chuyển tiếp như: [31] mô tả hệ thống bao gồm nút nguồn, nút chuyển tiếp và nút đích qua đó thực hiện đánh giá hiệu năng mạng sử dụng giao thức thu năng lượng phân chia thời gian tại nút chuyển tiếp với mô hình AF, DF; [32] phân tích hiệu năng của mạng thứ cấp với lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất đồng thời phân tích sự hưởng của mạng sơ cấp đến thứ cấp; [33] thực hiện phân tích đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến chuyển tiếp đa chặng nhưng trong nghiên cứu này không hỗ trợ thu thập năng lượng; [34] tác giả đã phân tích mô hình hệ thống bao gồm mạng đa nút chuyển tiếp với chế độ truyền song công có hỗ trợ thu thập năng lượng và từ đó chọn ra nút chuyển tiếp tốt nhất. Các nghiên cứu trên chỉ phân tích hiệu năng của mô hình chuyển tiếp cho mạng sơ cấp hoặc thứ cấp có hỗ trợ thu thập năng lượng, mà chưa phân tích được mạng chuyển tiếp bao gồm thông tin sơ cấp và thứ cấp hỗ trợ thu thập năng lượng.
Do đó, trong đề tài này sẽ phân tích hiệu năng mạng chuyển tiếp bao gồm thông tin sơ cấp và thứ cấp hỗ trợ thu thập năng lượng. Thực ra, ngoài tín hiệu vô tuyến của thiết bị mà ta đang sử dụng, xung quanh ta còn tồn tại nhiều tín hiệu vô tuyến của các mô hình dịch vụ khác nhau và các nguồn năng lượng vô tuyến này rất dồi dào và ổn định. Qua đây, người thực hiện đề tài đã tiến hành thực hiện đo phổ các tín hiệu vô tuyến tại thị xã Thuận An, tỉnh Bình Dương (tọa độ: 10057’15.367’’E) với thiết bị đo là máy đo Rohde & Schwarz EFL340. 3 Luan van Hình 1.1: Mật độ phổ công suất của tín hiệu vô tuyến Hình 1.1 biễu diễn phổ công suất của các tín hiệu vô tuyến RF từ 1Mhz 2.5Ghz bao gồm phổ của các tín hiệu FM quảng bá, truyền hình số DTV, GSM900, GSM1800, 3G, WiFi.
Tiếp theo ta lần lượt khảo sát mức công suất tín hiệu ngõ vào của từng loại tín hiệu cụ thể.2: Mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào của băng tần FM 4 Luan van Hình 1.2 biễu diễn mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào của băng tần FM, ta thấy mật độ phổ công suất với nhiều kênh tần số khác nhau với mức ngõ vào cao nhất là 42 dBm 63.3: Mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào của băng tần DTV Hình 1.3 biễu diễn mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào của băng tần DTV, bao gồm các kênh tần số 25, 30, 33, 34, 50, 57, 58. Ta thấy mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào tại vị trí gần nguồn phát của kênh 25 công suất máy phát 5kW là 30 dBm 1000 nW .4: Mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào của băng tần GSM900 Hình 1.4 biễu diễn mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào của băng tần GSM900 với mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào là 48 dBm 15. 5 Luan van Hình 1.5: Mật độ phổ công suất băng tần GSM1800, 3G, WiFi Hình 1.5 biễu diễn mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào của băng tần GSM1800, 3G, WiFi với mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào lần lượt là 46 dBm 25 nW , 48 dBm 15.2 Mục đích của đề tài Trong phần nghiên cứu này chúng ta sẽ xem xét đến mạng sơ cấp, đây là mạng gồm 2 nút S và D, trong đó thông tin từ máy phát trong mạng sơ cấp S sẽ được truyền đi cho đến điểm D. Trong trường hợp D ở rất xa S, không nằm trong phạm vi truyền dẫn của S, do đó yêu cầu đặt ra là cần phải có một mạng hỗ trợ chuyển tiếp để khuếch đại tín hiệu từ S và sau đó truyền đến D.
Giả sử tồn tại một mạng thứ cấp bao gồm một nút relay R được xem như nút chuyển tiếp để hỗ trợ truyền tín hiệu từ máy phát sơ cấp nút nguồn S đến nút đích D. Đồng thời, nút chuyển tiếp R cũng có thông tin của riêng nó dự định truyền cho nút relay thứ cấp còn lại là C. Do đó, nút chuyển tiếp R không chỉ chuyển tiếp các thông tin sơ cấp mà còn cung cấp thông tin thứ cấp cùng lúc cho nút C, từ đó C có thể loại bỏ can nhiễu sơ cấp không mong muốn. Ngoài ra, cả hai nút relay thứ cấp R và C có khả năng lưu trữ năng lượng từ tín hiệu phát sơ cấp.
6 Luan van Vì vậy, mục đích của đề tài là phân tích hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng thông qua đại lượng xác suất dừng tại nút đích D và nút relay C. Từ đó, đánh giá sự ảnh hưởng của các đại lượng liên quan đến xác suất dừng tại D và C. Ngoài ra, người thực hiện đề tài còn phân tích, đánh giá thông lượng tức thời thông qua tỷ số tín hiệu trên nhiễu của nguồn phát, sự ảnh hưởng của hệ số phân chia công suất, khoảng cách giữa nguồn phát và nút relay đến năng lượng thu thập trung bình.3 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu 1.