Tài liệu Nghiên cứu giải thuật tìm băng tần trống hợp tác trong cognitive radio

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------------------------- PHẠM NGỌC SƠN NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT TÌM BĂNG TẦN TRỐNG HỢP TÁC TRONG COGNITIVE RADIO Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2009 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. HỒ VĂN KHƯƠNG Ký tên: Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS.LÊ TIẾN THƯỜNG Ký tên: Cán bộ chấm nhận xét 2: TS.ĐỖ HỒNG TUẤN Ký tên: Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 30 tháng 12 năm 2009 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. PSG.TS.LÊ TIẾN THƯỜNG 2. TS.PHAN HỒNG PHƯƠNG 3. TS.ĐỖ HỒNG TUẤN 4. TS.LƯU THANH TRÀ 5. TS.NGUYỄN MINH HOÀNG 6. ThS.HỒ TRUNG MỸ Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp. HCM, ngày tháng năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: PHẠM NGỌC SƠN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 01/05/1981 Nơi sinh: Cà Mau Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử MSHV: 01407355 Khóa: 2007 I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT TÌM BĂNG TẦN TRỐNG HỢP TÁC TRONG COGNITIVE RADIO II- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN - Tổng quan về Cognitive Radio. - Nghiên cứu giải thuật tìm băng tần trống của một Cognitive radio. - Nghiên cứu giải thuật tìm băng tần trống hợp tác trong Cognitive Radio. - Viết chương trình mô phỏng các lý thuyết bằng Mathlab và so sánh. III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 22/06/2009 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2009 V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. HỒ VĂN KHƯƠNG Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGHÀNH (Họ tên và chữ ký) LỜI CẢM ƠN Tôi xin kính gởi đến TS. Hồ Văn Khương lời trân trọng tri ân với lòng biết ơn sâu sắc nhất. Thầy đã dành nhiều thời gian quý báu hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi về tài liệu cũng như đã tận tình chỉ bảo và cho tôi những lời khuyên bổ ích, giúp tôi hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô ở trường Đại học Bách Khoa đã truyền đạt kiến thức, định hướng nghiên cứu trong những năm học vừa qua. Tôi cũng nhận được sự giúp đỡ của các bạn cùng lớp. Các bạn đã đóng góp cho tôi những ý kiến và những tài liệu giá trị. Xin gởi đến các bạn lời cảm ơn chân thành của tôi. Cuối cùng, tôi xin kính gởi đến gia đình lòng biết ơn chân thành, sâu sắc nhất. Gia đình, Cha Mẹ đã động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập cũng như nghiên cứu đã qua. TP HCM, ngày tháng năm 2009 Phạm Ngọc Sơn TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Toàn bộ luận văn được chia làm 6 chương: Chương 1: Giới thiệu vấn đề. Trình bày xu hướng sử dụng phổ tần hiện nay và trong tương lai cũng như về các vấn đề nghiên cứu Cognitive Radio. Đồng thời, trình bày về hướng nghiên cứu cũng như các nhiệm vụ thực hiện. Chương 2: Trình bày sự cần thiết ra đời Cognitive radio và những vấn đề chủ yếu như: mô hình kiến trúc, hoạt động, các kỹ thuật cũng như khả năng truy cập phổ tần. Chương 3: Trình bày các giải thuật tìm băng tần trống của một Cognitive radio, các ưu điểm và nhược điểm của mỗi giải thuật. Chương này cũng nghiên cứu khả năng tìm băng tần trống dựa trên bộ tách năng lượng và Matched Filter. Chương 4: Trình bày các giải thuật tìm băng tần trống hợp tác như: tìm băng tần trống hợp tác dựa trên bộ tách năng lượng (có xét đến Matched Filter); vấn đề lỗi kênh báo cáo; dựa trên phân tập phát sử dụng mã hóa không gian- thời gian, không gian-tần số; dựa trên sự chuyển tiếp kết quả báo cáo. Hơn nữa, giải thuật tìm băng tần trống hợp tác dựa trên sự phân phối tỉ số trị riêng giới hạn trong những ma trận Wishart, dựa trên lý thuyết Demster-Shafer cũng được đề cập. Chương 5: Chương trình mô phỏng các lý thuyết chương 3 và 4. Kết quả mô phỏng đã cho thấy khi số lượng mẫu lớn thì hiệu quả tìm băng tần sẽ tốt hơn và với SNR như nhau, Matched Filter sẽ sử dụng ít mẫu hơn bộ tách năng lượng để đạt được cùng xác xuất tìm băng tần trống. Hơn nữa, khả năng tìm băng tần trống hợp tác đạt kết quả tốt hơn không hợp tác và hiệu quả tìm băng tần tăng lên khi sử dụng phân tập phát sử dụng mã hóa không gian-thời gian, chuyển tiếp kết quả báo cáo trong môi trường che chắn, fading. Chương 6: Tổng kết các vấn đề đã được trình bày trong luận văn. Kết quả đạt được trong nghiên cứu và mô phỏng. Các tồn tại và hạn chế của luận văn. Và cuối cùng là hướng phát triển và mở rộng của đề tài. MỤC LỤC Danh sách các hình Thuật ngữ - Viết tắt Ký hiệu Abstract CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ ................................................................................. 1 1.1. GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY ................... 1 1.2. NỘI DUNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ........................................................... 2 1.3. BỐ CỤC LUẬN VĂN............................................................................................ 2 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ COGNITIVE RADIO ..................................................... 3 2.1. SỰ RA ĐỜI............................................................................................................ 3 2.2. KIẾN TRÚC HỆ THỐNG COGNITIVE RADIO ................................................... 5 2.3. KỸ THUẬT CHÍNH TRONG COGNITIVE RADIO ............................................. 7 2.3.1. MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC ỨNG DỤNG........................................................... 7 2.3.2. KIẾN TRÚC COGNITIVE RADIO TRONG MÔ HÌNH OSI.......................... 8 2.3.2.1. CHỨC NĂNG LỚP VẬT LÝ ................................................................... 9 2.3.2.2. CHỨC NĂNG LỚP LIÊN KẾT DỮ LIỆU.............................................. 10 2.3.3. KIẾN TRÚC VẬT LÝ CỦA COGNITIVE RADIO....................................... 10 2.4. HOẠT ĐỘNG CỦA COGNITIVE RADIO .......................................................... 12 2.5. KỸ THUẬT TRUY CẬP PHỔ............................................................................. 14 2.5.1. TRUY CẬP PHỔ OVERLAY ....................................................................... 14 2.5.2. TRUY CẬP PHỔ UNDERLAY .................................................................... 15 CHƯƠNG 3 GIẢI THUẬT TÌM PHỔ TRỐNG CỦA MỘT COGNITIVE RADIO ........ 16 3.1. CÁC GIẢI THUẬT TÁCH PHỔ.......................................................................... 17 3.2. BỘ TÁCH NĂNG LƯỢNG ................................................................................. 19 3.3. MATCHED FILTER............................................................................................ 22 CHƯƠNG 4 CÁC THUẬT TOÁN TÌM BĂNG TẦN TRỐNG HỢP TÁC ..................... 25 4.1. THUẬT TOÁN TÌM BĂNG TẦN TRỐNG HỢP TÁC DỰA TRÊN BỘ TÁCH NĂNG LƯỢNG .......................................................................................................... 28 4.2. THUẬT TOÁN TÌM BĂNG TẦN TRỐNG HỢP TÁC XÉT ĐẾN LỖI KÊNH BÁO CÁO TỪ CÁC CR ĐẾN BỘ TẬP TRUNG KẾT HỢP ...................................... 30 4.3. TÌM BĂNG TẦN TRỐNG HỢP TÁC VỚI PHÂN TẬP PHÁT SỬ DỤNG MÃ HÓA KHÔNG GIAN-THỜI GIAN. ............................................................................ 34 4.3.1. TỔNG QUAN VỀ MÃ HÓA KHÔNG GIAN-THỜI GIAN .......................... 34 4.3.1.1. MÃ KHỐI KHÔNG GIAN-THỜI GIAN (STBC –SPACE TIME BLOCK CODE) ................................................................................................................ 35 4.3.1.2. MÃ LƯỚI KHÔNG GIAN-THỜI GIAN (STTC-SPACE TIME TRELLIS CODES) .............................................................................................................. 42 4.3.2. MÃ HÓA KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ĐỐI TÌM BĂNG TẦN TRỐNG HỢP TÁC ........................................................................................................................ 43 4.4. TÌM BĂNG TẦN TRỐNG HỢP TÁC VỚI PHÂN TẬP PHÁT SỬ DỤNG MÃ HÓA KHÔNG GIAN-TẦN SỐ................................................................................... 45 4.5. TÌM BĂNG TẦN TRỐNG HỢP TÁC VỚI PHÂN TẬP CHUYỂN TIẾP ............ 47 4.6. THUẬT TOÁN TÌM BĂNG TẦN TRỐNG HỢP TÁC DỰA TRÊN SỰ PHÂN PHỐI TỈ SỐ TRỊ RIÊNG GIỚI HẠN TRONG NHỮNG MA TRẬN WISHART........ 51 4.6.1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG................................................................................. 51 4.6.2. CÁC KẾT QUẢ............................................................................................. 53 4.6.2.1. PHƯƠNG PHÁP TIỆM CẬN ................................................................. 53 4.6.2.2. PHƯƠNG PHÁP TIỆM CẬN TRACY-WIDOM.................................... 54 4.6.3. PHÂN BỐ TỈ SỐ TRỊ RIÊNG ....................................................................... 55 4.7. THUẬT TOÁN TÌM BĂNG TẦN TRỐNG HỢP TÁC DỰA TRÊN LÝ THUYẾT DEMPSTER-SHAFER................................................................................................ 56 4.7.1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG................................................................................. 56 4.7.2. LÝ THUYẾT DEMPSTER-SHAFER............................................................ 58 4.7.3. THUẬT TOÁN ............................................................................................. 59 4.7.3.1. CẢM NHẬN NỘI VÀ TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY................................ 59 4.7.3.2. TRUNG TÂM XỬ LÝ............................................................................ 60 CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG VÀ CÁC KẾT QUẢ ............................................................. 62 5.1. KHẢO SÁT MỐI QUAN HỆ Pd VÀ Pf THEO SỐ MẪU ..................................... 62 5.1.1. CR USER SỬ DỤNG BỘ TÁCH NĂNG LƯỢNG........................................ 62 5.1.2. CR USER SỬ DỤNG MATCHED FILTER .................................................. 64 5.2. PHƯƠNG PHÁP TÌM BĂNG TẦN TRỐNG CỦA MỘT CR .............................. 65 5.2.1. DỰA TRÊN BỘ TÁCH NĂNG LƯỢNG ...................................................... 65 5.2.2. DỰA TRÊN MATCHED FILTER................................................................. 67 5.3. MÔ HÌNH HỢP TÁC TÌM BĂNG TẦN TRỐNG................................................ 69 5.3.1. THUẬT TOÁN TÌM BĂNG TẦN TRỐNG HỢP TÁC DỰA TRÊN BỘ TÁCH NĂNG LƯỢNG ...................................................................................................... 70 5.3.2. THUẬT TOÁN TÌM BĂNG TẦN TRỐNG HỢP TÁC DỰA TRÊN MATCHED FILTER............................................................................................... 73 5.3.3. THUẬT TOÁN TÌM BĂNG TẦN TRỐNG HỢP TÁC XÉT ĐẾN LỖI KÊNH BÁO CÁO TỪ CÁC CR ĐẾN BỘ NHẬN CHUNG ............................................... 74 5.3.4. TÌM BĂNG TẦN TRỐNG HỢP TÁC VỚI PHÂN TẬP PHÁT SỬ DỤNG MÃ HÓA KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ......................................................................... 79 5.3.5. TÌM BĂNG TẦN TRỐNG HỢP TÁC VỚI PHÂN TẬP CHUYỂN TIẾP ..... 82 5.4. TỔNG HỢP KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .................................................................. 84 CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI...................................... 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 87 PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 89 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1.Trình bày các lỗ trống phổ tần số............................................................. 3 Hình 2. 2.Hạ tầng mạng cơ sở CR........................................................................... 5 Hình 2. 3. Mô hình tương tác Cognitive radio ......................................................... 7 Hình 2. 4. Lớp trong mô hình OSI của Cognitive radio ........................................... 8 Hình 2. 5. Bộ thu phát CR ..................................................................................... 11 Hình 2. 6. RF front-end......................................................................................... 12 Hình 2. 7.Chu trình các nhiệm vụ của cognitive radio .......................................... 13 Hình 2. 8.Các kỹ thuật truy cập phổ...................................................................... 15 Hình 3. 1. Mô hình tách phổ trống của một CR user ............................................. 16 Hình 3. 2. Các giải thuật cảm nhận phổ của CR ................................................... 17 Hình 3. 3. Sơ đồ tách dựa trên bộ tách năng lượng ............................................... 20 Hình 3. 4. Sơ đồ khối tách sử dụng Matched Filter ............................................... 23 Hình 4. 1.Ví dụ về tìm băng tần trống hợp tác trong môi trường nhiều shadowning và fading............................................................................................................... 25 Hình 4. 2.Mô hình cảm nhận phổ cùng hợp tác..................................................... 26 Hình 4. 3. (a) Kiểu tập trung; (b) Kiểu phân bố .................................................... 28 Hình 4. 4. Sơ đồ khối thực hiện ............................................................................. 30 Hình 4. 5. Sơ đồ khối thực hiện tìm băng tần trống xét đến lỗi kênh báo cáo ........ 31 Hình 4. 6. Sơ đồ khối mã hóa không gian-thời gian Alamouti ............................... 35 Hình 4. 7.Mô hình một anten thu........................................................................... 37 Hình 4. 8. Mô hình hai anten thu........................................................................... 40 Hình 4. 9.Sơ đồ mã khối nT anten phát ................................................................. 41 Hình 4. 10.Bộ mã hóa STTC ................................................................................. 43 Hình 4. 11.Mô hình tách phổ hợp tác sử dụng mã hóa không gian-thời gian......... 44 Hình 4. 12.Mã hóa không gian-tần số ................................................................... 47 Hình 4. 13.Mô hình chuyển tiếp của 2 CR user ..................................................... 48 Hình 4. 14.Chuyển tiếp của 2 CR user sử dụng mã hóa đại số .............................. 50 Hình 4. 15.Mô hình chuyển tiếp. ........................................................................... 50 Hình 4. 16.Mô hình tách phổ................................................................................. 52 Hình 4. 17. Mô hình hệ thống cảm nhận phổ đồng vận hành................................. 57 Hình 4. 18. Kiến trúc giải thuật............................................................................. 59 Hình 5. 1.Mối quan hệ N theo P d và N theo Pf ....................................................... 63 Hình 5. 2.Mối quan hệ N theo P f và Pd ................................................................. 63 Hình 5. 3. Mối quan hệ N theo P d và N theo Pf ...................................................... 64 Hình 5. 4. Mối quan hệ N theo P d và Pf trong không gian..................................... 65 Hình 5. 5. Lưu đồ giải thuật sử dụng bộ tách năng lượng ..................................... 66 Hình 5. 6. Mối liên hệ Pf, Pd với SNR=-25dB ........................................................ 66 Hình 5. 7.Mối liên hệ Pf, Pd với SNR=-15dB ......................................................... 67 Hình 5. 8.Lưu đồ giải thuật sử dụng Matched Filter ............................................. 68 Hình 5. 9 . Mối liên hệ Pf, Pd với SNR=-25dB ....................................................... 68 Hình 5. 10. Mô hình hợp tác của các CR............................................................... 69 Hình 5. 11. Lưu đồ giải thuật tìm băng tần trống hợp tách dựa trên bộ tách năng lượng .................................................................................................................... 70 Hình 5. 12. Qd và Qf theo quy luật OR.................................................................. 71 Hình 5. 13. Kết quả thực hiện chương trình mô phỏng với số CR user là 6 ........... 72 Hình 5. 14. Kết quả mô phỏng với số CR user là 10 .............................................. 72 Hình 5. 15. Lưu đồ giải thuật tìm băng tần trống hợp tách dựa trên Matched Filter ............................................................................................................................. 73 Hình 5. 16. Qd và Qf theo quy luật OR (Matched Filter) ........................................ 74 Hình 5. 17. Lưu đồ giải thuật xét đến lỗi kênh báo cáo ......................................... 75 Hình 5. 18. Qd và Q f xét đến lỗi kênh báo cáo (các CR user dùng bộ tách năng lượng) ................................................................................................................... 76 Hình 5. 19. Qd và Qf xét đến lỗi kênh báo cáo (các CR user dùng Matched Filter) và SNR trong khoảng [-18 -22]dB ............................................................................. 77 Hình 5. 20. Kết quả mô phỏng Qm và Qf với số lượng CR user khác nhau khi SNR trung bình là -10dB, số mẫu là 1000 mẫu. ............................................................ 78 Hình 5. 21. Kết quả mô phỏng Qm đối với Qf khi SNR trung bình là -10dB, số mẫu là 1000 mẫu, hai CR hợp tác và các mức lỗi báo cáo là Pe=10-1, 10-2, 10-3, 10-4 ... 79 Hình 5. 22. Lưu đồ giải thuật sử dụng phân tập ST ............................................... 80 Hình 5. 23. Kết quả mô phỏng sử dụng phân tập không gian thời gian (mỗi CR user sử dụng bộ tách năng lượng) ................................................................................ 81 Hình 5. 24. Mô phỏng Qm đối với Qf của cảm nhận phổ hợp tác sử dụng kỹ thuật phân tập phát cho số lượng kênh inter-user khác nhau, ε=0.01 và 0.1 TDMA và STBC, tương ứng với trường hợp ε=1 và 0. .......................................................... 82 Hình 5. 25. Lưu đồ giải thuật khi sử dụng Relay ................................................... 83 Hình 5. 26. Kết quả mô phỏng chuyển tiếp............................................................ 84 Hình 5. 27. Kết quả mô phỏng việc tách phổ trống của một CR user, hợp tác không lỗi kênh báo cáo, lỗi kênh báo cáo, phân tập không gian-thời gian, Relay ............ 85 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT A/D Analog-to-digital ADC Analog-to-digital converter AP Access point AWGN Additive white Gaussian noise BPSK Binary phase shift keying BS Base station CDF Cumulative distribution function DTV Digital Television CDMA Code Division Multiple Access CR Cognitive radio CSCG Circularly symmetric complex Gaussian CSMA/CA Carrier sense multiple access with collision avoidance FFT Fast fourier transform FCC Federal communications commission FDMA Frequency division multiple access FM Frequency modulation IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers OFDM Orthogonal frequency division multiplexing MAC Medium access control MC-CDMA Multicarrier code-division multiple access MIMO Multiple input multiple output PDA Personal Digital Assistant PU Primary user PDF Probability density function PSD Power spectrum desity QAM Quadrature amplitude modulation QoS Quality of service RF Radio frecuency RX Receiver RMT Random matrix theory SDR Software defined radio SU Secondary user. SNR Signal to noise ratio TDMA Time-division multiple access TV Television TX Transmitter UWB Ultra wideband WRAN Wireless regional area networks KÝ HIỆU Pd Xác xuất tách của một CR user riêng. Pm Xác xuất tách nhầm của một CR user riêng. Pf Xác xuất tách sai của một CR user riêng. Pe Xác xuất lỗi báo cáo của một CR user riêng. Pd Pd lấy giá trị cụ thể trong công thức. Pf Pf lấy giá trị cụ thể trong công thức. Qd Xác xuất tách hợp tác. Qm Xác xuất tách nhầm hợp tác. Qf Xác xuất tách sai hợp tác. Qf Qf lấy giá trị cụ thể. ∆ ≡ Định nghĩa như. ~ Được phân bố bởi luật. ABSTRACT The radio frequency spectrum is a scarce natural resource and its efficient use is of the utmost importance. The spectrum bands are usually licensed to certain services, such as mobile, fixed, broadcast, and satellite, to avoid harmful interference between different networks to affect users. Most spectrum bands are allocated to certain services but worldwide spectrum occupancy measurements show that only portions of the spectrum band are fully used. Moreover, there are large temporal and spatial variations in the spectrum occupancy. Phổ tần số là tài nguyên tự nhiên hiếm và việc sử dụng hiệu quả rất quan trọng. Các băng tần thường được cấp phép cho các dịch vụ nào đó, chẳng hạn như di động, cố định không dây, quãng bá và vệ tinh, để tránh gây nhiễu nguy hại giữa các mạng, ảnh hưởng các user. Hầu hết các băng tần được chỉ định cho dịch vụ nào đó nhưng các kết quả đo việc sử dụng phổ trên khắp thế giới chỉ ra rằng chỉ một phần băng phổ được sử dụng một cách đầy đủ. In the development of future wireless systems the spectrum utilization functions will play a key role due to the scarcity of unallocated spectrum. Moreover, the trend in wireless communication systems is going from fully centralized systems into the direction of self-organizing systems where individual nodes can instantaneously establish ad hoc networks whose structure is changing over time. Cognitive radios, with the capabilities to sense the operating environment, learn and adapt in real time according to environment creating a form of mesh network, are seen as a promising technology. Cognitive radio allows SUs to opportunistically access the unused licensed spectrum bands without causing undue interference to licensed users. Đối sự phát triển các hệ thống không dây trong tương lai, nhiệm vụ sử dụng phổ sẽ là vai trò chính do sự khan hiếm phổ tần. Hơn nữa, khuynh hướng các hệ thống liên lạc không dây đi từ các hệ thống tập trung hoàn toàn sang các hệ thống tự tổ chức trong đó các node mạng riêng thiết lập một cách tức thời mạng tự tổ chức với cấu trúc thay đổi theo thời gian. Cognitive radio, với khả năng cảm nhận môi trường vô tuyến, học và thích ứng theo thời gian thực môi trường để tạo ra dạng mạng mesh và được xem như kỹ thuật đầy hứa hẹn. Cognitvie radio cho phép các Secondary user truy cập một cách cơ hội đến băng phổ đã được cấp phép không được sử dụng mà không gây nhiễu nguy hại đến các user chính. Spectrum sensing techniques (such as energy detection and feature detection) which is one of the most important operations of cognitive radio, detect presence /absence spectrum holes. Several factors like fading and shadowing affect the ability of the cognitive radio in detecting the primary user. Investigated researches have shown that cooperative spectrum sensing by combining the observations of several cognitive radio nodes can be used to improve the performance of spectrum sensing. The performance of a spectrum sensing scheme in terms of probability of detection and probability of false alarm without and with cooperation between the nodes. Các kỹ thuật cảm nhận phổ (chẳng hạn tách năng lượng và tách đặc điểm) là một trong những kỹ thuật vận hành quan trọng nhất của cognitive radio, tách sự có mặt hay vắng mặt các phổ trống. Một vài nhân tố như fading và shadowing ảnh hưởng đến khả năng của cognitive radio trong việc tách Primary user. Những kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, cảm nhận phổ hợp tác bằng cách kết hợp các kết quả quan sát của vài node cognitive radio để tăng hiệu suất của cảm nhận phổ. Hiệu suất của một mô mình cảm nhận phổ dưới dạng xác xuất tách và xác xuất cảnh báo sai không hoặc có hợp tác giữa các node. This thesis presents an overview of cognitive radios and spectrum sensing techniques of a single cognitive radio user. The main aim of this thesis is to research cooperative spectrum sensing algorithms. In the first algorithm, each congnitive radio detects spectrum band using energy detector (or Matched Filter) and sends its decision to the base station. By taking into account the error effect on the decision reported from cognitive radio to the base station, a cooperative spectrum sensing algorithm based on decision reporting is presented. To deal with this error, a transmit diversity is investigated by using multiple cognitive radios as a virtual antenna array, space-time coding and space-frequency coding over flat-fading and frequency-selective fading channels. Moreover, a relay diversity increases the diversity of detection when some CRs are in heavy shadowing. The another algorithm, cooperative spectrum sensing based on the Limiting Eigenvalue Ratio Distribution in Wishart Matrices uses the ratio between the largest and the smallest eigenvalues of the received signal covariance matrix to infer the presence or absence of the primary signal. This ratio result is then straightforwardly applied to calculate the decision threshold as a function of a target probability of false alarm. The last algorithm, Cooperative Spectrum Sensing Algorithm based on DempsterShafer Theory at the fusion center after the credibility and uncertainty are calculated based on the local sensing result of cognitive radios. Luận văn này trình bày tổng quan về Cognitive radio và các kỹ thuật tách phổ của một Cognitive radio user. Hướng chính của luận văn này là nghiên cứu các thuật toán tìm băng tần trống hợp tác. Thuật toán đầu tiên, mỗi cognitive radio tách băng tần phổ sử dụng bộ tách năng lượng (hoặc Matched Filter) và gởi quyết định riêng tới trạm gốc. Khi xét đến ảnh hưởng lỗi đối quyết định được báo cáo từ cognitive radio đến trạm gốc, thuật toán tìm băng tần trống hợp tác xét đến kênh báo cáo quyết định đuợc đưa ra. Để giải quyết vấn đề này, phân tập phát bằng cách sử dụng nhiều cognitive radio giống như mãng anten ảo kết hợp mã hóa không gian-thời gian và không gian-tần số trên các kênh fading phẳng và fading lựa chọn tần số. Hơn nữa, phân tập Relay tăng phân tập tách khi một vài cognitive radio bị che chắn nặng. Thêm thuật toán nữa, thuật toán tìm băng tần trống hợp tác dựa trên phân phối tỉ số trị riêng giới hạn trong các ma trận Wishart sử dụng tỉ số giữa trị riêng lớn nhất và nhỏ nhất của ma trận covariance tín hiệu được nhận để suy ra sự có mặt hoặc vắng mặt của tín hiệu Primary. Kết quả tỉ số này khi đó được sử dụng tính toán ngưỡng quyết định như là hàm của xác xuất cảnh báo sai. Thuật toán cuối cùng, thuật toán tìm băng tần trống hợp tác dựa trên lý thuyết Dempster-Shafer ở trung tâm kết hợp, sau đó các kết quả đáng tin và không chắc chắn được tính toán dựa trên kết quả cảm nhận nội của các cognitive radio. GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ 1.1. GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY Sự liên lạc không dây đã trở nên phổ biến trong những năm gần đây. Từ các PDA (handheld PDAs) đến liên lạc vô tuyến, từ liên lạc mạng tế bào đến truyền hình, tất cả đều sử dụng phổ vô tuyến nhưng phổ tần này có giới hạn. Phổ tần thường được quản lý bởi tổ chức chính phủ của mỗi nước. Hầu hết các ứng dụng không dây sử dụng phổ đều được cấp phép. Nhưng với mỗi yêu cầu tăng lên để liên lạc bằng vô tuyến thì sẽ không đủ băng tần trống để cấp phép. Tuy nhiên, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng đa số phổ tần được cấp phép trước đó hầu như không được sử dụng thường xuyên, hiệu quả [9]. Đây chính là một vấn đề đưa ra đề tài này về việc tìm băng tần trống không sử dụng hoặc sử dụng rất ít tùy vào thời điểm, vị trí. Cognitive Radio là một lĩnh vực nghiên cứu mới rất hiệu quả trong sử dụng phổ. Cognitive radio chính là radio mà có thể thay đổi thông số truyền phụ thuộc vào môi trường vô tuyến để liên lạc liệu quả, tương thích các thiết bị đang sử dụng, không gây nhiễu đến các thiết bị đó, khả năng cảm nhận môi trường vô tuyến để tìm được đặc tính phổ tần số (được sử dụng ở thời gian nào, vị trí nào..)[2]. Một chức năng cơ bản và quan trọng của Cognitive radio là khả năng cảm nhận để tách sự có mặt của tần số vô tuyến [7]. Đây là vấn đề quan trọng không chỉ ngăn chặn nhiễu đến hệ thống hiện hữu mà còn tìm băng tần trống để liên lạc. Nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra rằng việc cùng hợp tác giữa các user cảm nhận phổ sẽ tăng xác xuất tách phổ qua việc trao đổi tổng hợp thông tin về việc tách sự có mặt hay vắng mặt phổ tần mong muốn [8]. Bên cạnh đó, nhiều giải thuật tìm băng tần trống hợp tác trong Cognitive radio đã được đề xuất để ngày càng tăng khả năng tìm kiếm phổ [3],[4],[5]. Thực hiện: Phạm Ngọc Sơn GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ 2 1.2. NỘI DUNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Trong phạm vi luận văn tốt nghiệp và trên cơ sở việc tìm băng tần trống của một user để đi đến nghiên cứu trình bày theo hướng phát triển các giải thuật tìm băng tần trống hợp tác của nhiều user. Đồng thời, luận văn sẽ dùng Mathlab để mô phỏng các giải thuật này để minh họa tính hiệu quả của các giải thuật khác nhau. Kết quả mô phỏng lý thuyết đã trình bày dựa trên: xác xuất tách phổ, xác xuất tách sai, hiệu quả tách phổ dựa trên khả năng tách theo SNR và số lượng mẫu cần thiết. 1.3. BỐ CỤC LUẬN VĂN Để hiểu Cognitive radio một cách tổng quát từ các giới thiệu một cách vắn tắt ở trên, chương 2 sẽ trình bày quá trình ra đời, cấu trúc và phương thức hoạt động của hệ thống này. Một trong các biện pháp đánh giá là cách mà Congnitive radio tách chính xác sự có mặt hay vắng mặt của phổ tần bằng cách đo xác xuất tách và xác xuất tách sai. Để làm được điều đó, trong chương 3, chúng ta sẽ nghiên cứu một vài kiến trúc tách cơ bản mà một CR sử dụng như tách dựa trên bộ tách năng lượng, Matched Filter. Hạn chế của cách thức tìm phổ của một CR là khó phát hiện phổ khi bị che chắn. Do đó, phương pháp tìm băng tần trống hợp tác đã được đề xuất. Chương 4 nghiên cứu các giải thuật tìm băng tần trống hợp tác dựa trên bộ tách năng lượng, xét đến lỗi kênh báo cáo đến bộ tập trung, giải thuật dựa trên phân tập phát, phân tập chuyển tiếp, dựa trên phân phối tỷ số trị riêng giới hạn trong ma trận Wishart, dựa trên lý thuyết Dempster-Shafer. Chương 5 sẽ thực hiện mô phỏng bằng Mathlab các giải thuật ở trên và chương 6 đưa ra các kết luận cũng như hướng phát triển tiếp theo của đề tài. Thực hiện: Phạm Ngọc Sơn TỔNG QUAN VỀ COGNITIVE RADIO 3 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ COGNITIVE RADIO 2.1. SỰ RA ĐỜI Tần số vô tuyến là một tài nguyên hữu hạn và được sự quản lý bởi mỗi quốc gia. Mỗi một tổ chức muốn sử dụng tài nguyên vô tuyến nhằm mục đích gì đều phải được cấp phép, quản lý của quốc gia đó. Ngày nay, với việc phát triển bùng nổ khoa học kỹ thuật nói chung và lĩnh vực viễn thông nói riêng, nhu cầu về tài nguyên phổ đã gia tăng không ngừng. Tuy nhiên do hầu hết phổ đã được đăng kí sử dụng với licensed user hay primary user (PU), đòi hỏi các nhà khai thác dịch vụ phải cạnh tranh rất quyết liệt để có được giấy phép sử dụng băng tần mới. Mặc khác, hiệu suất sử dụng phổ tần số đã được cấp phép cho các các nhà cung cấp dịch vụ (FM, AM, TV, Mobile, Wifi, Wimax, viba…) không cao. Theo thống kê của tổ chức FCC thì hiện nay trên thế giới hiệu quả sử dụng phổ trong khoảng từ 15 – 85%, tùy từng vùng địa lý (khu vực dân cư đông đúc hay thưa thớt) và thời điểm sử dụng (giờ cao điểm, bình thường…). Hình 2.1.Trình bày các lỗ trống phổ tần số Thực hiện: Phạm Ngọc Sơn TỔNG QUAN VỀ COGNITIVE RADIO 4 Theo bảng 2.1, hiệu suất sử dụng phổ cao nhất trong khoảng 0Ghz đến 2GHz đạt 54.4% và xuất hiện những khoảng tần số không sử dụng, khoảng tần số này được gọi là khoảng trắng (white space hay spectrum hole). Mỗi quốc gia buộc phải nghĩ ra các phương pháp làm sao để sử dụng những tài nguyên phổ đã cấp phép một cách hiệu quả hơn. Vấn đề đặt ra là sử dụng lại khoảng tần số đã cấp phép nhưng hiệu suất sử dụng thấp, không hiệu quả. Chính vì thế, một khái niệm mới mẽ về việc sử dụng băng thông phổ đã ra đời trong những năm gần đây, đó là Cognitive Radio. Thuật ngữ Cognitive radio đầu tiên được giới thiệu bởi Mitola, 1999. Kĩ thuật cognitive radio đã được xem như là một giải pháp đầy sức thu hút nhằm nâng cao hiệu suất băng thông phổ kênh truyền. Cognitive radio là một hệ thống liên lạc không dây thông minh, quan tâm đến môi trường xung quanh và sử dụng phương pháp understanding-by-building để nghiên cứu môi trường và thích nghi với những trạng thái trong môi trường đó để có những thay đổi một cách thống kê đối với tín hiệu kích thích RF đến bằng việc tạo ra những thay đổi tương ứng đối các thông số vận hành một cách chắc chắn trong thời gian thực. Hai mục tiêu đầu tiên là: cung cấp những hệ thống liên lạc tin cậy bất cứ lúc nào cần thiết và sử dụng phổ vô tuyến hiệu quả. Các CR user như là những khách viếng thăm băng tần phổ đã được cấp phép. Điều này cần các hàm quản lý phổ hiệu quả đối kênh truyền rỗi đang bị chiếm giữ mà không gây can nhiễu với các PU và trả lại kênh truyền này khi mà hoạt động của PU được tìm thấy. Để thực hiện được công việc này thì phụ thuộc vào khả năng nhận thức môi trường xung quanh chúng. FCC đã đưa ra chuẩn IEEE 802.22 dành cho mạng WRAN(wireless regional area network) sử dụng khoảng trắng trong trong phổ tần số TV. Việc phát triển của tiêu chuẩn IEEE 802.22 được thực thi bởi kĩ thuật CR để cho phép chia sẽ phổ tần số. IEEE 802.22 được thiết kế để tổ chức trong băng tần quảng bá TV, không tạo ra can nhiễu ra xung quanh các hệ thống của TV như truyền hình số, truyền hình quảng bá tương tự và các thiết bị dùng công suất thấp như máy vi âm không dây. Thực hiện: Phạm Ngọc Sơn