CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUY CẬP PHỔ ĐỘNG (DSA) VÀ TRUYỀN TIN HỢP TÁC Trong những thập kỷ vừa qua, truyền tin vô tuyến nói chung và di động nói riêng tăng trưởng không ngừng trên phạm vi toàn thế giới. Tiến trình tăng trưởng đó cho đến nay vẫn tiếp tục bởi các công nghệ truyền tin vô tuyến được dự báo mang lại một loạt các dịch vụ đa phương tiện mới, có chất lượng cao, cho tất cả mọi người, ở bất cứ đâu và với giá thành thấp. Nhu cầu về dịch vụ truyền tin vô tuyến với tốc độ cao càng ngày càng tăng, trở thành một gánh nặng vô cùng lớn đối với việc cấp phát tài nguyên tần số. Lưu ý tài nguyên tần số là tài nguyên có giới hạn như các tài nguyên cơ bản khác như đất, nước ngọt, khoáng sản, v.
Sự phát triển mau lẹ như vậy cho cảm tiến công nghệ sắp đến giai đoạn bão hoà, vì hết tài nguyên phổ tần số còn trống cho các công nghệ vô tuyến mới. Tuy nhiên, may thay, một báo cáo của Hiệp hội truyền thông liên ban Hoa Kỳ (Federal Communications Commission, gọi tắt là) FCC vào tháng 11 năm 2002 đã chỉ ra rằng: cách thức sử dụng phổ mới là trở ngại chủ yếu đối với sự phát triển của công nghệ không dây và di động, chứ không phải là sự khan hiếm vật lý về phổ radio [20] [21]. Báo cáo này (của FCC) liền trở thành ngòi nổ, kích hoạt một loạt các nghiên cứu về công nghệ vô tuyến nhận thức. Công nghệ này cho đến nay vẫn được xem là giải pháp chính cho vấn đề hiệu quả thấp trong sử dụng băng thông hiện nay [20] [22].
Sở dĩ như vậy là do công nghệ CR có một khuôn khổ (framework) đầy đủ quy định một loạt các nhiệm vụ như nhận thức vô tuyến, kênh truyền, điều khiển công suất v.v… để hướng đến việc truy cập phổ động DSA. Truy cập phổ động là gì? Tại sao truy cập phổ động lại cần thiết đối với 6 sự phát triển của các công nghệ truyền tin vô tuyến? Để làm rõ các câu nghi vấn trên, trước hết cần lược sơ việc quản lý phổ tần số truyền thống. QUẢN LÝ TẦN SỐ TRUYỀN THỐNG Phương pháp quản lý tần số truyền thống thực hiện cấp phát và quản lý tần số vô tuyến điện theo hướng mệnh lệnh và điều khiển (command-and- control). Theo đó, mỗi băng tần số được “cấp phát tĩnh”, có tính cố định cho một loại dịch vụ ứng dụng nhất định, ứng dụng nhất định, người dùng sở hữu giấy phép tần số cố định [20].
Minh hoạ cho việc sử dụng này là tại Việt Nam dải tần số VHF từ 68MHz – 108 MHz được sử dụng cho dịch vụ truyền sóng âm thanh tương tự theo phương thức điều chế FM, các tần số được cấp cho một người dùng cố định, trong phạm vi địa lý nhất định với công suất tối đa cố định. Với cách quản lý này, các công nghệ khác như: thông tin di động, truyền hình số mặt đất, v.v… không được sử dụng ở băng tần số này. Rõ ràng, việc quản lý và truy cập phổ tần số vô tuyến điện sẽ dẫn đến các việc lãng phí tài nguyên tần số vô tuyến điện [20]. TRUY CẬP PHỔ ĐỘNG Việc cho phép truy cập phổ động DSA là hình thức quản lý tần số linh hoạt, trái ngược với phương thức quản lý truyền thống.
Hình thức này cho phép hệ thống, công nghệ vô tuyến khác nhau có thể cùng tận dụng và dùng lại một băng tần phổ cho trước. Thông qua việc tái sử dụng lại phổ tần số, hiệu quả sử dụng phổ được cải thiện và nâng cao hơn [23]. Trở lại ví dụ trên, băng tần số VHF, nếu áp dụng DSA, có thể cho phép hệ thống người dùng chưa được cấp phép khác (di động hoặc truyền hình chẳng hạn) tái sử dụng lại để truyền tín hiệu mỗi khi dịch vụ âm thanh vô tuyến FM không hoạt động theo các chiều như thời gian, không gian. PHÂN LOẠI CÁC MÔ HÌNH TRUY CẬP PHỔ ĐỘNG - Về phân loại DSA, phương thức này về cơ bản có thể chia thành các mô hình sau: + Truy cập phổ động dùng riêng (dynamic exclusive use, gọi tắt là DEU- DSA).
+ Truy cập phổ chia sẻ mở (open sharing access, gọi tắt là OSA-DSA). + Truy cập phổ thứ bậc (hierarchical access, gọi tắt là HA – DSA) [23]. - Các mô hình được mô tả như hình sau: Dynamic Spectrum Access Open Sharing Model Dynamic Exclusive Hierarchical Access (Spectrum Commons Use Model Model Model) Spectrum Spectrum Spectrum Dynamic Underlay (Opportunistic Property Spectrum (Ultra Wide Spectrum Rights Allocation Band) Access) Hình 1. Phân loại các mô hình truy cập phổ động.
- Nhằm dễ dàng tra cứu, Hình 1.1 giữ nguyên các tên tiếng Anh của các thuật ngữ chuyên sâu thuộc chuyên ngành tần số vô tuyến điện. Đồng thời, học viên diễn giải và phụ chú thêm các thuật ngữ này như sau: + Dynamic Spectrum Access: là thuật ngữ chỉ các kỹ thuật truy cập phổ 8 động. Phương án đối lập là Truy cập phổ tĩnh (tần số vô tuyến điện được cấp và điều khiển theo mệnh lệnh cho một dịch vụ cụ thể ứng với một ứng dụng cụ thể). Truy cập phổ động ngược lại, cho phép cấp phát một băng tần số tuỳ theo ứng dụng, công nghệ, vị trí và thời gian sử dụng.
+ Dynamic Exclusive Use Model: là thuật ngữ chỉ mô hình cấp phép cho một hoặc một số người dùng, theo đó các người dùng này có các thẩm quyền sở hữu trong thời hạn nhất định và có thể cấp phát thứ cấp đến các người dùng khác. + Open Sharing Model: là thuật ngữ chỉ mô hình sử dụng chia sẻ có tính công cộng. Ví dụ các băng tần có nhiều công nghệ sử dụng như băng tần 2.4GHz, nơi có các thiết bị như Wifi, Wimax, Bluetooth, Zigbee v.v… cùng sử dụng chung theo mô hình này. + Hierachical Access Model: là thuật ngữ chỉ mô hình truy cập phổ phân chia ra hai thứ bậc gồm hệ có giấy phép sử dụng và hệ dùng chia sẻ.
Ở đây, hệ có giấy phép sử dụng cho phép chia sẻ phổ tần số cho những người dùng khác không có giấy phép sử dụng (người dùng thứ cấp). Các người dùng thứ cấp có thứ tự ưu tiên sử dụng thấp hơn và buộc phải tuân thủ các điều kiện ràng buộc do bên chia sẻ đưa ra. Mô hình sử dụng phổ động dùng riêng DEU-DSA Tương tự như mô hình truyền thống, mô hình này duy trì cấu trúc cơ bản của chính sách quy định cụ thể hiện hành: các dải phổ được cấp phép cho các dịch vụ để sử dụng riêng. Tuy nhiên, điểm khác cơ bản so với dịch vụ truyền thống ở hai điểm: quyền sở hữu phổ và phân bổ phổ động [23].
Trong DEU-DSA, người dùng đã được cấp giấy phép có thể bán lại phổ cho người khác và có thể tự chọn công nghệ phù hợp với nhu cầu sử dụng. Mô hình truy cập phổ chia sẻ mở OSA – DSA 9 Mô hình OSA – DSA cho phép băng tần số được sử dụng dùng chung, chia sẻ ngang hàng giữa các người dùng. Hầu hết phương thức này được ứng dụng trong các dịch vụ thông tin vô tuyến được miễn giấy phép tần số như băng tần ISM 2,4 GHz và 5GHz cho các dịch vụ như WiFi, Bluetooth, Zigbee, v. Ưu điểm của mô hình chia sẻ này cho phép kích thích và đáp ứng nhu cầu của người dùng cuối đơn lẻ, phạm vi phủ sóng nhỏ như các dịch vụ wifi cá nhân, Bluetooth để kết nối các thiết bị gia dụng, v.v… Nhược điểm lớn của mô hình này là việc quản lý nhiễu giữa các hệ thống, nhất là khi số lượng người dùng và công nghệ áp dụng trở nên dày đặt.
Hiện nay, chưa có giải pháp xử lý can nhiễu ở các vùng có mật độ sóng Wifi dày đặt. Mô hình truy cập phổ thứ bậc HA – DSA Mô hình HA – DSA thông qua cấu trúc truy cập phân cấp với người dùng chính và phụ (PU và SU). Hệ thống PU là hệ thống sở hữu giấy phép truy cập tần số, trong khi đó hệ thống SU không có. Ý tưởng cơ bản của mô hình này là mở phổ được cấp phép cho người dùng thứ cấp đồng thời hạn chế sự can thiệp của người dùng chính (người được cấp phép).
Hai cách tiếp cận để chia sẻ phổ giữa người dùng chính và phụ đã được xem xét: DSA chồng lấn (underlay DSA, viết tắt là U-DSA) và DSA xếp lớp (overlay DSA, viết tắt là O-DSA).Hình thức U-DSA Trong U-DSA, truy cập phổ thứ cấp có thể hoạt động đồng thời với truy cập phổ chính (là truy cập phổ của người dùng chính – người dùng có giấy phép sử dụng phổ), với điều kiện nhiễu gây ra cho hệ thống PU thấp hơn giới hạn nhiễu cho trước [2] [24]. Nhiều nghiên cứu gần đây đã áp dụng hình thức 10 “truyền tin hợp tác” trong quá trình thực hiện O-DSA. Theo đó, các nút mạng trong hệ SU hợp tác nội bộ với nhau để kháng nhiễu [3 -13].2 minh họa hình thức chia sẻ phổ theo hình thức U-DSA. Theo đó, hệ thứ cấp có thể kết hợp phổ của nhiều hệ sơ cấp để tái sử dụng.
Với băng thông rộng hơn, mật độ can nhiễu do người dùng SU gây ra cho một băng B i của hệ PU thứ i nào đó thường thấp hơn rất nhiều so với tín hiệu PU cùng băng. Hình thức chia sẻ phổ U-DSA trong mô hình chia sẻ HA – DSA Mô hình phương thức như trên, U-DSA cho phép các SU truyền tín hiệu trên dải phổ được cấp phép, bất kể PU có truy cập vào dải đó hay không, nhưng phải chịu một trong hai điều kiện ràng buộc như sau: - Điều kiện chia sẻ thứ nhất: Can nhiễu tích lũy từ các băng tần và các người dùng SU phải thấp hơn mức ngưỡng cho trước tại từng băng B i. Điều kiện này yêu cầu phải có n ngưỡng can nhiễu ứng với n băng tần của hệ PU cho trước. - Hoặc áp dụng điều kiện chia sẻ thứ hai: Can nhiễu tích lũy từ các băng tần và các người dùng SU phải thấp hơn mức nhiễu cho trước nào đó.
Phương án này còn gọi là phương án áp dụng nhiệt nhiễu môi trường (interference temperature). Hình thức O – DSA Hình thức O – DSA được ra đời sau hình thức U – DSA. Tương tự hình 11 thức U – DSA, O – DSA cũng cho phép SU phát tại dải phổ được cấp phép ngay cả khi PU đang truy cập vào dải.3 minh họa hình thức chia sẻ phổ O-DSA. Hình thức chia sẻ phổ O-DSA trong mô hình chia sẻ HA – DSA Điểm khác lớn của hai hình thức này nằm ở các điều kiện ràng buộc cho phép chia sẻ phổ.