NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 4. Phương pháp nghiên cứu 3 5. Bố cục đề tài 3 6. Tổng quan về tài liệu nghiên cứu 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 5 1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 5 1.2. TÌM HIỂU “VÔ TUYẾN NHẬN THỨC” 5 1.3. ĐẶC ĐIỂM CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 6 1.4. CHU TRÌNH NHẬN THỨC 8 1.4.1. Cảm biến phổ 8 1.4.2. Quản lý phổ 13 1.4.3. Dịch chuyển phổ 15 1.4.4. Chia sẻ phổ 15 1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 17 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 18 2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 18 2.2. KHÁI QUÁT VỀ KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 18 2.2.1 Nhận dạng kênh 18 2.2.2 Đặc tính kênh truyền 21 2.3. SOFTWARE DIFINED RADIO (SDR) TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 25 2.3.1. Tổng quan về SDR 25 2.3.2. Đặc điểm và ứng dụng của SDR 26 2.3.3. Mô hình cấu trúc của SDR 29 2.4. SDR TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 30 2.4.1. Mối quan hệ giữa SDR và mạng Vô tuyến nhận thức 30 2.4.2. Sự khác biệt của mạng Vô tuyến nhận thức trên cơ sở SDR so với các mạng vô tuyến truyền thống 34 2.4.3. Cấu trúc mạng Vô tuyến nhận thức trên cơ sở SDR 36 2.5. MÔ HÌNH HỆ THỐNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 38 2.5.1. Cấu trúc vật lí của mạng Vô tuyến nhận thức 38 2.5.2. Mô hình nút trong mạng Vô tuyến nhận thức 41 2.5.3. Mô hình tổng thể của mạng Vô tuyến nhận thức 44 2.6. HOẠT ĐỘNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 46 2.6.1.Trên băng tần được cấp phép 46 2.6.2. Trên băng tần không được cấp phép 47 2.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 48 CHƯƠNG 3. KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 49 3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 49 3.2. TRUY CẬP PHỔ TẦN ĐỘNG TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 49 3.2.1. Phân bổ phổ tần động theo thời gian 52 3.2.2 Phân bổ tài nguyên vô tuyến động theo thời gian khi dự đoán tải hoàn hảo 54 3.2.3 Phân bổ tài nguyên động trong trường hợp dự đoán tải không hoàn hảo 55 3.3. KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN ML 56 3.4. KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN MAP 57 3.5. ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC (1X1) 58 3.5.1. Ước lượng cho mạng chính 58 3.5.2. Ước lượng cho mạng phụ 60 3.5.3. Sự khác biệt giữa ước lượng trong mạng nhận thức và truyền thống 61 3.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 62 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 63 4.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 63 4.2. THUẬT TOÁN MÔ PHỎNG 63 4.2.1. Thuật toán mô phỏng ML 63 4.2.2. Thuật toán mô phỏng MAP 65 4.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ƯỚC LƯỢNG CHO MẠNG CHÍNH 66 4.3.1. Kết quả mô phỏng BER theo SNR cho thuật toán ML 66 4.3.2. Kết quả mô phỏng BER theo SNR cho thuật toán MAP 67 4.3.3. Kết quả mô phỏng BER theo gama cho thuật toán ML 68 4.3.4. So sánh kết quả mô phỏng BER theo gama cho ML và MAP 69 4.3.5. Kết quả mô phỏng BER theo SNR so sánh ML và MAP 70 4.4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ƯỚC LƯỢNG CHO MẠNG PHỤ 71 4.4.1. Kết quả mô phỏng BER theo SNR cho thuật toán ML 71 4.4.2. Kết quả mô phỏng BER theo SNR cho thuật toán MAP 72 4.4.3. Kết quả mô phỏng BER theo anpha so sánh thuật toán ML và MAP 73 4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 74 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 76 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) PHỤ LỤC. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt ADC Analog Digital Convertor Chuyển đổi tương tự số AGC Auto Gain Control Điều khiển độ lợi tự động BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát sóng di động BS Base Station Trạm gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CR Cogtive Radio Vô tuyến nhận thức CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh DDC Digital Analog Convertor Chuyển đổi số tương tự DFS Direct Digital Control Điều khiển số trực tiếp DSA Dynamic Frequency Selection Lựa chọn tần số động DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số DUC Dynamic Spectrum Access Truy cập phổ tần động DVBT Digital Video Broadcasting – Terrestrial Mạng truyền hình quảng bá vô tuyến số mặt đất FCC Federal Communications Commission Ủy ban truyền thông liên ban FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số FPGA Field programmable Gate Array Mảng cổng lập trình được dạng trường. GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile Communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu IP Internet Protocol Giao thức Internet IPD Incumbent Profile Detection Cảm biến môi trường LMS Least Mean Square Bình phương trung bình tối thiểu LNA Low Noise Amplified Bộ khuếch đại nhiễu thấp LOS Line of Sight Tầm nhìn thẳng MAC Medium Access Control Điều khiển truy cập môi trường MAP Maximum a Posteriori Cực đại hóa xác suất hậu nghiệm ML Maximum Llkelihood Tương đồng cực đại OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao P2P Peer to Peer Mạng ngan hàng PLL PhaseLocked Loop Vòng khóa pha PU Primary User Người dùng chính QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RX Receiver Máy thu SDMA Space Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo không gian SDR Software Difined Radio Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SMR Specialised Mobile Radio Hệ thống thông tin di động đặc biệt SNR Signal – to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SU Secondary User Người dùng phụ TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian TPC Transmit Power Control điều khiển công suất phát TX Transmitter Máy phát UWB Ultra Wideband Di động siêu băng rộng VCO Vol Cotrol OSC Bộ dao động điều khiển bằng điện áp WIFI Wireless Fidelity Mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Truy cập internet băng thông rộng không dây ở khoảng cách lớn. DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1. Minh họa hố phổ 8 1.2. Chu trình nhận thức 8 1.3. Phân loại các kỹ thuật cảm biến phổ 9 1.4. Mô hình nhiễu nhiệt 12 1.5. Quá trình dịch chuyển phổ 15 2.1. Cấu trúc của tín hiệu 19 2.2. Ước lượng kênh cho quá trình thu nhận 20 2.3. Ước lượng kênh cho quá trình theo dõi 20 2.4. Cấu trúc một SDR với các thành phần chủ yếu 24 2.5. Ảnh hưởng của hiện tượng Fading đến đường truyền vô tuyến 29 2.6. Minh họa mối quan hệ của SDR với mạng vô tuyến nhận thức 33 2.7. Sự tương tác lẫn nhau của Vô tuyến nhận thức và SDR 33 2.8. Sự khác nhau giữa mạng vô tuyến truyền thống và mạng vô tuyến nhận thức 35 2.9. Mô hình vô tuyến nhận thức điển hình trên cơ sở SDR 36 2.10. Kiến trúc vật lý của mạng vô tuyến nhận thức 39 2.11. Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức 42 2.12. Minh họa sự ảnh hưởng của phạm vi truyền dẫn của người dùng chính và người dùng phụ 42 2.13 Sơ đồ khối các nút trong mạng vô tuyến nhận thức 43 2.14. Mô hình kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức 44 2.15. Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng tần cấp phép 47 2.16. Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng tần không cấp phép 48 3.1.a. Phân bổ tài nguyên vô tuyến cố định 50 3.1.b. Phân bổ tài nguyên vô tuyến động 50 3.2. Dạng phân bố lưu lượng thay đổi theo thời gian của dịch vụ DVBT và UMTS 52 3.3. Phân bố tài nguyên sóng mang cho các mạng truy cập vô tuyến 53 3.4. Ảnh hưởng của khoảng truy cập phổ tần động DSA lên hiệu năng của hệ thống 54 3.5. Ảnh hưởng của tương quan mẫu lưu lượng 55 3.6. Ảnh hưởng của khoảng DSA đến thuật toán dự đoán tải không hoàn hảo 56 3.7. Mô hình truyền dẫn của mạng vô tuyến nhận thức (1x1) 59 3.8. Mô hình khoảng cách của mạng chính và mạng phụ 61 4.1 Kết quả mô phỏng BER theo SNR cho thuật toán ML 66 4.2. Kết quả mô phỏng BER theo SNR cho thuật toán MAP 67 4.3. Kết quả mô phỏng BER theo gama cho thuật toán ML 68 4.4. Kết quả mô phỏng BER theo gama so sánh thuật toán ML và MAP 69 4.5. Kết quả mô phỏng BER theo SNR so sánh thuật toán ML và MAP 70 4.6. Kết quả mô phỏng BER theo SNR cho thuật toán ML 71 4.7. Kết quả mô phỏng BER theo SNR cho thuật toán MAP 72 4.8. Kết quả mô phỏng BER theo anpha so sánh thuật toán ML và MAP 73 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin của con người ngày càng tăng nhanh. Trong đó, thông tin di động đang đóng một vai trò rất lớn do tính mềm dẻo và linh hoạt của nó. Vì vậy, nhu cầu sử dụng hệ thống thông tin di động cũng như chiếm dụng tài nguyên vô tuyến ngày càng cao 13. Nhưng do đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến là tài nguyên hạn chế, chất lượng phụ thuộc nhiều vào môi trường: địa hình, thời tiết... dẫn đến làm hạn chế triển khai đáp ứng nhu cầu của xã hội, của các nhà công nghiệp và dịch vụ viễn thông. Đây chính là những thách thức cho các nhà khoa học trong ngành. Chẳng hạn khi nói đến vấn đề tài nguyên vô tuyến, chúng được giải quyết bằng các giải pháp kỹ thuật, công nghệ như: FDMA, TDMA, SDMA, CDMA, sự kết hợp giữa chúng đã tìm mọi cách để khai thác triệt để tài nguyên ở dạng thời gian, tần số, không gian, mã. Các công nghệ thích ứng, cấp phát tài nguyên động, cơ chế điều khiển luồng, công nghệ IP, máy thu phát thông minh, ....là những minh họa điển hình cho vấn đề này8. Các mạng thông tin vô tuyến hiện tại đang ứng dụng nhiều công nghệ hiện đại để tối ưu chất lượng dịch vụ cũng như khai thác một cách hiệu quả băng tần được cấp phép. Tuy nhiên, phổ tần của các mạng vô tuyến hiện nay vẫn chưa được khai thác một cách triệt để. Thực tế cũng đã có rất nhiều giải pháp được đưa ra để thực hiện vấn đề này. Trong đó mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive radio) cũng là một trong những giải pháp mới nhất nhằm khai thác triệt để phổ tần đang còn bị lãng phí. Những năm gần đây trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực này.1,14 Hệ thống 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. Theo đó, thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDR (Software Defined Radio) sẽ là một phần tử quan trọng trong hệ thống vô tuyến nhận thức10. 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 nhiễu đến các hệ thống vô tuyến có quyền ưu tiên cao hơn hoạt động trên dải tần đó. Để cho phép tận dụng tối đa tài nguyên phổ tần như trên, vô tuyến nhận thức phải có những tính năng cơ bản như sau:10,16 Điều chỉnh tần số hoạt động của hệ thống một cách hợp lý 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 hoá 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. Ước lượng kênh truyền là một trong những chủ đề được quan tâm trong hệ thống thông tin vô tuyến. Việc ước lượng kênh truyền trong các mạng viễn thông hiện nay (các đề tài luận văn trước đã làm) đa số nghiên cứu trên dải tần số cố định cho các người dùng. Còn đề tài thì tập trung nghiên cứu kỹ thuật ước lượng kênh truyền trong mạng vô tuyến nhận thức. Nghĩa là ước lượng kênh trong điều kiện dải tần số thay đổi theo thời gian (tùy thuộc vào các dải tần số rỗi khác nhau tại các thời điểm khác nhau trong mạng chính), và thông tin trạng thái kênh truyền là không hoàn hảo 4,5. Hiện nay, vấn đề này chưa được nghiên cứu nhiều trong hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức. Khi mà thông tin đặc tính kênh truyền không hoàn hảo thì ước lượng kênh càng trở nên khó khăn. Nhận thấy ước lượng kênh trong mạng này còn là chủ đề mới nên tác giả đã chọn đề tài “NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC” để nghiên cứu.