Cognitive radio MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 1.1.Lý đời vô tuyến nhận thức 1.2 Khái niệm vô tuyến nhận thức .5 1.3 Chức 1.4.Đặc điểm mạng vô tuyến nhận thức .7 1.5.Mô hình hệ thống mạng vô tuyến nhận thức CHƯƠNG 2: CÁC CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC .16 2.1.Cảm biến phổ 16 2.2.Chia sẻ phổ .18 2.3 Quản lý phổ 21 2.4.Linh động phổ 23 CHƯƠNG III ỨNG DỤNG CỦA VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 26 3.1.Ứng dụng thông tin không dây nhận thức .26 3.2.Thách thức vô tuyến nhận thức 38 Cognitive radio DANH MỤC HÌNH VẼ Hình1 Minh họa hố phổ Hình1 2: Sử dụng phổ linh hoạt Hình 3: Kiến trúc vật lí vô tuyến nhận thức .9 Hình1 4: Mô hình nút mạng vô tuyến nhận thức .11 Hình 5: Minh họa ảnh hưởng phạm vi truyền dẫn người dùng người dùng phụ 11 Hình 6: Sơ đồ khối nút vô tuyến nhận thức 11 Hình 7: Mô hình kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức 12 Hình 8: Mạng Vô tuyến nhận thức hoạt động băng tần cấp phép 14 Hình 9: Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động băng không cấp phép .15 Cognitive radio THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt ADC Analog - Digital Chuyển đổi tương tự - số CDMA Convertor Code Division Multiple Đa truy cập phân chia theo mã CR FDMA Access Cogtive Radio Frequency Division Vô tuyến nhận thức Đa truy cập phân chia theo tần PU QoS RF RX SDR Multiple Access Primary User Quality of Service Radio Frequency Receiver Software Difined Radio số Người dùng Chất lượng dịch vụ Tần số vô tuyến Máy thu Vô tuyến định nghĩa phần SNR SU TDMA Signal – to - Noise Ratio Secondary User Time Division Multiple mềm Tỷ số tín hiệu nhiễu Người dùng phụ Đa truy cập phân chia theo thời UWB Access Ultra Wideband gian Di động siêu băng rộng Tên Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt Cognitive radio LỜI NÓI ĐẦU Cùng với phát triển xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin người ngày tăng nhanh Trong đó, thông tin di động đóng vai trò lớn tính mềm dẻo linh hoạt Vì vậy, nhu cầu sử dụng hệ thống thông tin di động chiếm dụng tài nguyên vô tuyến ngày cao Nhưng đặc điểm truyền dẫn vô tuyến 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 xã hội, nhà công nghiệp dịch vụ viễn thông Đây thách thức cho nhà khoa học ngành Chẳng hạn nói đến vấn đề tài nguyên vô tuyến, chúng giải giải pháp kỹ thuật, công nghệ như: FDMA, TDMA, SDMA, CDMA, kết hợp chúng tìm cách để khai thác triệt để tài nguyên dạng thời gian, tần số, không gian, mã Các công nghệ thích ứng, cấp phát tài nguyên động, chế điều khiển luồng, công nghệ IP, máy thu phát thông minh, minh họa điển hình cho vấn đề Với công nghệ vô tuyến nhận thức, thiết bị vô tuyến sử dụng để cảm ứng, nhận diện sử dụng phổ tần vô tuyến hiệu theo thời gian, không gian tần số Theo Ed Thomas: “Nếu xét toàn giải tần vô tuyến từ đến 100 GHz quan trắc thời gian không gian cụ thể có từ 5% đến 10% lượng phổ tần sử dụng” Như có đến 90% tài nguyên phổ tần vô tuyến bị lãng phí Công nghệ vô tuyến nhận thức xem giải pháp cho vấn đề Bài tiểu luận gồm ba phần chính: Chương 1: Tổng quan vô tuyến nhận thức Chương 2: Các chức hệ thống vô tuyến nhận thức Chương 3: Ứng dụng vô tuyến nhận thức Cognitive radio CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 1.1 Lý đời vô tuyến nhận thức Các mạng thông tin vô tuyến ứng dụng nhiều công nghệ tối ưu chất lượng dịch vụ khai thác cách hiệu băng tần cấp phép Tuy nhiên, phổ tần mạng vô tuyến chưa khai thác cách triệt để, hố phổ Ví dụ minh họa hình dưới) Hình1 Minh họa hố phổ Công nghệ vô tuyến nhận thức thiết kế nhằm nâng cao hiệu sử dụng phổ tần, người dùng phụ có khả sử dụng phổ chia sẻ mà không gây nhiễu tới người dùng cấp phép Vô tuyến nhận thức cho phép sử dụng vùng phổ trống theo thời điểm, phổ ám hố phổ hay khoảng trắng (Hình 1.1) Nếu băng phổ người dùng (người dùng cấp phép) sử dụng tiếp người dùng vô tuyến nhận thức phải chuyển đến hố phổ khác băng tần phải thay đổi mức công suất phát sơ đồ điều chế để tránh gây nhiễu đến người dùng 1.2 Khái niệm vô tuyến nhận thức Vô tuyến nhận thức không công nghệ mới, mà thay đổi mang tính cách mạng việc sử dụng phổ tần vô tuyến Vô tuyến nhận thức cho phép đầu cuối cảm biến, hiểu biết sử dụng cách linh hoạt phổ tần sẵn có thời điểm định Trong khảo sát vô tuyến nhận thức, Simon Haykin khái quát vô tuyến nhận thức sau: “Cognitive radio is an intelligent wireless communication system that aware of its surrounding enviroment and use the methodology of understanding by building to learn from the environment and adapt its internal states to statistical variations in the incoming radio frequence (RF) stimuli by making Cognitive radio corresponding changes in certain operating parameters (eg:transmit power, carrier frequency, modulation strategy) in real time,with two primary objectives in mind: - Highly reliable communications whenever and wherever needed - Efficient utilization of the radio spectrum ” Tức là, “Vô tuyến nhận thức hệ thống truyền thông vô tuyến thông minh có khả nhận thức môi trường xung quanh từ tự huấn luyện để thích nghi với thay đổi môi trường cách thay đổi tham số hoạt động cụ thể (ví dụ công suất phát, tần số sóng mang, phương thức điều chế) thời gian thực, với hai đặc tính chính: o Truyền thông độ tin cậy cao thời điểm o Sử dụng hiệu phổ tần số vô tuyến” Vô tuyến nhận thức lên công nghệ đầy hứa hẹn để tối đa hóa việc sử dụng băng thông vô tuyến ngày bị hạn chế số lượng ngày tăng dịch vụ ứng dụng mạng vô tuyến Một mạng vô tuyến nhận thức (CR) thu - phát có khả thích ứng với môi trường hoạt động thông số vô tuyến có nhiệm vụ làm tối đa hóa việc sử dụng nguồn tài nguyên vô tuyến hạn chế cung cấp linh hoạt truy cập vô tuyến Mục đích mạng vô tuyến nhận thức sử dụng hiệu tài nguyên bao gồm tần số, thời gian công suất truyền tải Hiệu việc sử dụng quang phổ đóng vai trò ngày quan trọng hệ thống truyền thông vô tuyến tương lai có nhiều người dùng với dịch vụ cao Công nghệ vô tuyến nhận thức sử dụng hệ thống có mức ưu tiên thấp để cải thiện hiệu quang phổ cách cảm nhận môi trường phổ sau phát khoảng phổ trống để cấp phép sử dụng Tần số không sử dụng coi hố phổ tần số mà từ giao cho người sử dụng phụ (SU) Sự liên kết việc sử dụng phổ vô tuyến trường hợp đặc biệt mạng vô tuyến nhận thức Ngoài ra, kỹ thuật Vô tuyến nhận thức sử dụng mạng lưới cấp phép để nâng cao hiệu sử dụng phổ tần 1.3 Chức Vô tuyến nhận thức có chức chính: Cảm biến phổ (Spectrum sensing): Phần chức trình bày rõ chương tài liệu Quản lí phổ (Spectrum management): Sau cảm biến phổ định khoảng phổ trống, CR tiến hành việc quản lí để chọn khoảng phổ tối ưu, đáp ứng yêu cầu chất lượng mạng thông tin Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt Cognitive radio QoS (Quality of service) Chức chia làm bước: Phân tích phổ định phổ Sử dụng phổ linh hoạt (Spectrum mobility): CR linh hoạt thay đổi tần số sử dụng để chuyển qua tần số sẵn có khác mà cải thiện chất lượng mạng thông tin nhằm đạt chất lượng tốt Chia sẻ phổ (Spectrum Sharing): Trong mạng thông tin mà nhiều CR hoạt động Do cần phải có chức chia sẻ phổ CR để sử dụng dải băng tần cách công bằng, hợp lí tránh đụng độ Hình1 2: Sử dụng phổ linh hoạt 1.4 Đặc điểm mạng vô tuyến nhận thức Dựa vào số phân tích ta nhận thấy mạng Vô tuyến nhận thức có đặc điểm sau: Khả nhận thức: Khả nhận thức khả mà công nghệ vô tuyến nắm bắt cảm biến thông tin từ môi trường vô tuyến Khả không đơn giản thực giám sát công suất số băng tần số quan tâm mà yêu cầu nhiều công nghệ phức tạp để nắm bắt biến đổi môi trường vô tuyến theo không gian theo thời gian, nhằm tránh gây nhiễu ảnh hưởng tới người dùng Thông qua khả này, phần phổ không sử dụng thời điểm vị trí định xác định Từ đó, lựa chọn phổ tốt với thông số hoạt động phù hợp để sử dụng Tính tự cấu hình: Tính tự cấu hình cho phép mạng vô tuyến có khả lập trình tự động theo thay đổi môi trường vô tuyến Đặc biệt, Vô tuyến nhận thức lập trình để truyền nhận thông tin tần số khác để sử dụng công nghệ truy cập truyền dẫn khác phần cứng hỗ trợ Một số thông số tự cấu hình cần ý là: Tần số hoạt động, điều chế, công suất phát, công nghệ truyền Mục tiêu vô tuyến nhận thức tận dụng phổ tần có sẵn tốt thông qua khả nhận thức tính tự cấu hình Vì hầu hết phổ tần Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt Cognitive radio cấp phép, nên thách thức quan trọng sử dụng chia sẻ phổ tần cấp phép mà không gây nhiễu tới trình truyền dẫn người dùng cấp phép khác 1.5 Mô hình hệ thống mạng vô tuyến nhận thức  Cấu trúc vật lí mạng Vô tuyến nhận thức Kiến trúc tổng quan thu phát vô tuyến nhận thức Hình 1.3 Thành phần thu phát vô tuyến nhận thức đầu cuối RF (RF front-end) khối xử lí băng gốc Mỗi thành phần tự cấu hình thông qua bus điều khiển để thích ứng với môi trường RF biến đổi theo thời gian Trong đầu cuối RF, tín hiệu thu khuếch đại, trộn chuyển đổi A/D Trong khối xử lí băng gốc, tín hiệu điều chế/giải điều chế, mã hóa/giải mã Khối xử lí băng gốc vô tuyến nhận thức chất tương tự thu phát tồn Tuy nhiên, điểm vô tuyến nhận thức nằm đầu cuối RF Vì vậy, ta tập trung vào đầu cuối RF Vô tuyến nhận thức Điểm thu phát vô tuyến nhận thức khả cảm nhận băng rộng đầu cuối RF Chức liên quan tới công nghệ phần cứng RF anten băng rộng, khuếch đại công suất, lọc thích ứng Phần cứng RF cho vô tuyến nhận thức có khả điều chỉnh tới phần dải phổ tần rộng lớn Cảm nhận phổ cho phép việc đo lường thời gian thực thông tin phổ từ môi trường vô tuyến Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt Cognitive radio (b) Hình 3: Kiến trúc vật lí vô tuyến nhận thức (a) Bộ thu phát vô tuyến nhận thức; (b) Mô hình đầu cuối RF/tương tự băng rộng Nói chung, mô hình đầu cuối băng rộng cho vô tuyến nhận thức miêu tả Hình 1.3 (b) Đầu cuối RF Vô tuyến nhận thức bao gồm thành phần sau: * Bộ lọc RF: Bộ lọc RF lựa chọn băng tần mong muốn cách lọc thông dải tín hiệu RF nhận * Bộ khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA): Khuếch đại tín hiệu mong muốn đồng thời giảm thiểu thành phần tạp âm * Bộ trộn: Tại trộn, tín hiệu nhận được trộn với tần số RF nội, chuyển đổi thành tần số băng gốc tần số trung tần (IF) * Bộ dao động điều khiển điện áp (VCO): VCO tạo tín hiệu tần số định với điện áp cho trước để trộn với tín hiệu tới Quá trình chuyển đổi tín hiệu tới thành tần số băng gốc tần số trung tần * Vòng khóa pha (PLL): PLL đảm bảo tín hiệu khóa tần số định sử dụng để tạo tần số xác * Bộ lọc lựa chọn kênh: Bộ lọc lựa chọn kênh sử dụng để lựa chọn kênh mong muốn loại bỏ kênh lân cận Có hai loại lọc lựa chọn kênh “Máy thu chuyển đổi trực tiếp” sử dụng lọc thông thấp để lựa chọn kênh, “máy thu superheterodyne” lại sử dụng lọc thông dải * Điều khiển độ lợi tự động (AGC): AGC trì độ lợi mức công suất đầu khuếch đại không đổi qua dải rộng mức tín hiệu đầu vào Trong kiến trúc này, tín hiệu băng rộng nhận thông qua đầu cuối RF, lấy mẫu chuyển đổi tương tự-số (ADC) tốc độ cao, việc đo đạc thực để phát tín hiệu người dùng Tuy nhiên, tồn nhiều hạn chế việc phát triển đầu cuối Vô tuyến nhận thức Anten RF băng rộng nhận tín hiệu từ máy phát khác hoạt động mức công suất, băng thông vị trí khác Kết là, đầu cuối RF phải có khả phát tín hiệu yếu dải tần số động lớn Tuy nhiên, khả đòi hỏi phải có chuyển đổi ADC tốc độ vài GHz với độ phân giải cao, mà điều khó thực Trước thực chuyển đổi, chuyển đổi ADC tốc độ vài GHz cần phải giảm bớt dải động tín hiệu Điều đạt cách lọc tín hiệu mạnh Vì tín hiệu mạnh nằm đâu dải phổ rộng lớn, nên cần phải có lọc Một cách khác sử dụng nhiều Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt Cognitive radio anten cho việc lọc tín hiệu thực miền không gian miền tần số Nhiều anten nhận tín hiệu cách chọn lọc cách sử dụng công nghệ điều khiển búp sóng Thách thức chủ yếu kiến trúc vật lí Vô tuyến nhận thức phát xác tín hiệu yếu người dùng qua dải phổ tần rộng Do vậy, việc thực đầu cuối RF băng rộng chuyển đổi ADC vấn đề hàng đầu mạng vô tuyến nhận thức  Mô hình nút mạng vô tuyến nhận thức Trong mô hình hệ thống Vô tuyến nhận thức người dùng không cần quan tâm thiết bị mạng, không cần phải sửa đổi hệ thống mạng có, cho điều kiện tiên hệ thống vô tuyến nhận thức Điều quan trọng người dùng kế thừa thiết bị mạng sẵn có hoạt động theo cách thông thường áp dụng cho hệ thống mạng vô tuyến nhận thức Một giải pháp để cung cấp tốc độ liệu cao khoảng cách ngắn UWB quyền hạn truyền tải đòi hỏi phải cao UWB trải tín hiệu dải tần số rộng Vì vậy, hệ thống vô tuyến nhận thức người dùng phụ tạm dừng hoạt động người dùng truyền liệu công nghệ UWB (siêu băng rộng) không sử dụng mạng Vô tuyến nhận thức Các nghiên cứu mô hình hệ thống vô tuyến nhận thức trình bày hình 1.4 Mô hình hệ thống Vô tuyến nhận thức bao gồm người sử dụng chính, người sử dụng phụ trạm trung gian chọn nút đóng vai trò phối hợp phổ mạng Các kích thước hệ thống, thông số vị trí người sử dụng minh họa Khi mạng lưới bắt đầu hoạt động, tín hiệu vào nút tiếp tục hoạt động mạng ngắt kết nối Một ví dụ cho hệ thống vô tuyến nhận thức giới thiệu hình 1.5, nơi vị trí người dùng người dùng phụ chọn ngẫu nhiên khu vực phân phối sử dụng mạng thống Màu xám hình mô tả khu vực nơi SU PU có ảnh hưởng lẫn Đây khu vực mà cho SU phát diện PU thông qua cảm biến Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt 10 Cognitive radio CHƯƠNG III ỨNG DỤNG CỦA VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 3.1 Ứng dụng thông tin không dây nhận thức Vô tuyến nhận thức ứng dụng rộng rãi việc cải thiện hoạt động hệ thống thôngtin không dây thiết lập hệ thống thông tin không dây Hình 3.1 phân loại ứng dụng vô tuyến nhận thức thông tin không dây Hình 1: Phân loại ứng dụng vô tuyến nhận thức Nhóm bao gồm ứng dụng vô tuyến nhận thức để tối ưu hóa tài nguyên không dây Nhóm thứ hai ứng dụng cải thiện chất lượng thông tin Nhóm thứ ba bốn ứng dụng khả tương kết ứng dụng dịch vụ 3.1.1 Ứng dụng tối ưu hóa nâng cao chất lượng Tài nguyên vô tuyến không dây có giới hạn Do mà cần phải xem xét cẩn thận có kế hoạch sử dụng nguồn tài nguyên cách hợp lí Nguồn tài nguyên bao gồm phổ, phần cứng/phần mềm, kiến trúc hạ tầng mạng, công suất Hình 3.2 mô tả tài nguyên vô tuyến không dây tối ưu hóa ứng dụng cảu vô tuyến nhận thức Nó giúp cải thiện chất lượng hệ thống thông tin Hình minh họa hệ thống thông tin nói chung với thiết bị không dây đa dạng mà chất lượng cải thiện nhờ vô tuyến nhận thức Cognitive radio Hình 2: Tài nguyên thông tin không dây  Phần cứng phần mềm Phần cứng phần thực việc truyền/nhận thông tin liên lạc Cụm từ phần cứng/phần mềm nguồn tài nguyên mà vô tuyến nhận thức sử dụng thông minh để cải thiện hoạt động thông tin Một ưu điểm ứng dụng vô tuyến nhận thức dựa vào SDR khả năg nâng cấp phần cứng thông qua thay đổi phần mềm Nó có thể: Giảm việc nhu cầu thay phần cứng Giá thành vận hành, thay thế, nhân công thấp Sẵn sàng cho nhiều ứng dụng Giảm phức tạp phần cứng Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt 27 Cognitive radio Hình 3: Các thiết bị hệ thống thông tin không dây Chúng ta xét nguồn tài nguyên khác ứng dụng riêng cho Vô tuyến nhận thức giúp cho nút mạng tải phần mềm nâng cấp từ nút lân cận Chúng kết hợp với để chia sẻ nguồn tài nguyên phần cứng/phần mềm Ứng dụng quan trọng khác vô tuyến nhận thức dựa vào SDR : Cấu hình phần cứng để hoạt động mạng Một điện thoại di động hoạt động mạng GSM thiết lập kết nối dựa mạng WLAN tình khẩn cấp Cấu hình phần cứng để hoạt động phổ cách sử dụng dạng sóng tương thích Khi cảm biến khoảng phổ trống, vô tuyến nhận thức điều chỉnh thông số tín hiệu (băng thông, tần số, điều chế,mã hóa) tương ứng với điều kiện phổ chọn Kết cải thiện chất lượng liên lạc tốt Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt 28 Cognitive radio Hình 4: Thông tin nhiều phổ mạng khác  Công suất Tối ưu công suất quan trọng kết nối không dây thời gian dài, giúp trì chất lượng kết nối yêu cầu Vô tuyến nhận thức cải thiện việc sử dụng công suất hệ thống thông tin Một số ứng dụng vô tuyến nhận thức liên quan đến công suất sau: Điều khiển công suất thích nghi: Điều chỉnh công suất tương ứng với chất lượng kết nối thực nhiều hệ thống không dây thích nghi Tuy nhiên, điều chỉnh bị động giới hạn Vô tuyến nhận thức vượt qua giới hạn điều chỉnh công suất cấp độ cho chất lượng kết nối Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt 29 Cognitive radio Tối ưu công suất cách tự tắt hoặc, tạm ngưng hoạt nhiệm vụ ưu tiên thấp, thông báo người dùng mức công suất đạt đến mức ngưỡng xác định Điều giúp tiết kiệm công suất cho hệ thống để sử dụng cho nhiệm vụ ưu tiên cao Cho phép truyền có thay đổi hình hay âm cảnh quan sát nhằm tiết kiệm công suất  Phổ Tài nguyên phổ bên dải băng tần gán cố định bao gồm: Bất kì băng tần cấp phép sử dụng ví dụ băng GSM cho mạng điện thoại Bất kì băng tần cấp phép không sử dụng ví dụ phổ trong băng tần dành cho an toàn công cộng hay băng tần TV Bất kì băng tần không cấp phép băng dành cho công nghiệp, khoa học, y tế (IMS) Bất kì băng tần ko phép không sử dụng băng tần 60 GHZ Việc sử dụng tài nguyên phổ nghiêm ngặt Vô tuyến nhận thức giúp sử dụng tài nguyên cách hiệu tối ưu Vô tuyến nhận thức cho phép nhảy đến phổ với nhiễu thấp SNR tốt Nó thiết lập liên lạc đâu có phổ sẵn sang  Mạng Mạng bao gồm tài nguyên phần cứng/ mềm nguồn, đích phần tử đường kết nối thông tin không dây Mạng tối ưu với kết nối cụ thể phụ thuộc vào nút mạng riêng lẻ kết hợp Các tác vụ mạng thực vô tuyến nhận thức nút riêng lẻ Tuy nhiên hiệu phụ thuộc vào hoạt động mạng Tối ưu lớp ngang: Bao gồm tối ưu chức giao thức Vô tuyến nhận thức cót thể giám sát giao thức thích nghi giao thức phụ thuộc vào ứng dụng, mạng, nhu cầu khác Học mạng: Bao gồm sử dụng kiến thức mạng để tái cấu hình thông số mạng nhằm cải thiện khả mạng, xử lí nhiều ứng dụng, thực quyền ưu tiên có tắc nghẽn mạng Một số tác vụ mạng kết hợp ứng dụng vô tuyến nhận thức Tối ưu đường truyền: Vô tuyến nhận thức xác định đường truyền tối ưu tái cấu hình thông số mạng để sử dụng đường truyền Kết tài nguyên mạng tối ưu cực tiểu thời gian trễ giá thành Thay đổi cấu trúc liên kết: Thay đổi tự động cấu trúc liên kết mạng để thiết lập trì liên lạc nguồn đích Vô tuyến nhận thức xếp lại mạng nguồn đích để tối ưu hoạt động tài nguyên mạng - Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt 30 Cognitive radio An ninh mạng: Vô tuyến nhận thức cung cấp an ninh cấp độ cao để chống lại xâm nhập tin tặc phá hủy mạng Mạng nâng cấp phần mềm: Nâng cấp thành phần mạng thông qua phần mềm nhằm giúp giảm việc thay thiết bị phần cứng có kết nối hay công nghệ Hình Tối ưu mạng  Ứng dụng tương kết: Sự tương kết công cụ hữu hiệu miền vô tuyến nhận thức giúp cho hệ thống thông tin không dây vượt qua rào cản giới hạn Để biến hệ thống tương kết lí tưởng thành thực phải thời gian dài Tuy nhiên, số ứng dụng vô tuyến nhận thức giúp quản lí sách Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt 31 Cognitive radio cách thông minh, tối ưu lớp ngang, sử dụng kiến thức mạng, cấu hình hệ thống Vô tuyến nhận thức xây dựng SDR mà có khả giải vấn đề tương kết hệ thống vô tuyến Ứng dụng tương kết áp dụng quân đội an ninh công cộng Vai trò thiết bị tương kết , dịch vụ, mạng, phổ có tính định ứng dụng Trong phần khác, ví dụ ứng dụng khách hàng, vô tuyến nhận thức đề nghị tương kết dịch vụ có phổ cấp phép, không phép mạng khác Hình 6: Hệ thống thông tin không dây tương kết 3.1.2 Ứng dụng dịch vụ hệ thống thông tin không dây Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt 32 Cognitive radio Vô tuyến nhận thức ứng dụng sản phẩm dịch vụ cho người dùng điện thoại di động, máy tính xách tay, máy fax minh họa hình 3.6 Ta phân loại mức cao dịch vụ người dùng ứng dụng vô tuyến nhận thức sống hàng ngày hình 9.7 Mặc dù ứng dụng phát triển độc lập ta kết hợp qua lại với  Lĩnh vực cá nhân • Môi trường gia đình nhà Công nghệ phần thiết yếu sống đại Tận hưởng thời gian cách chất lượng với gia đình điều quan Kết không ranh giới nhà công sở Một người ngồi nhà họp với đối tác thông qua mạng WLAN Trong người hàng xóm truy cập mạng cho nhu cầu giải trí Hệ thống thông tin không dây truyền thống khó hoạt động thông suốt truy cập cao điểm Tuy nhiên, hệ thống vô tuyến nhận thức dò tìm sử dụng khoảng phổ trống để tránh tắc nghẽn truy cập cao điểm thỏa mãn nhu cầu người dùng Hình 7: Phân loại ứng dụng vô tuyến nhận thức vào dịch vụ người dùng • Môi trường trường học Khi đứa trẻ đến trường yếu tố an toàn quan tâm Một thiết bị gắn vào người học sinh để truyền thông tin cho điều khiển trung tâm đặt nhà hay trường học giúp giáo viên phụ huynh quản lí em Bất Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt 33 Cognitive radio đứa trẻ không tuân theo qui định thiết lập báo cáo gửi trung tâm Việc truyền thông tin cần có kênh truyền thông suốt để phân điều khiển cập nhật báo cáo Do mà cần ứng dụng hệ thống vô tuyến nhận thức • Môi trường công sở Vô tuyến nhận thức ưu tiên kết nối mạng dựa vào trạng thái ưu tiên Ví dụ có họp quan dành kết nối mạng với ưu tiên cao khoảng phổ sẵn có để sử dụng Vô tuyến nhận thức liên tục cập trạng thái bảng ưu tiên để dựa vào quản lí chia phổ cách hợp lí • Nhận thức không gian Xác định vị trí địa hình xung quanh kết nối thông tin cải thiện kết nối Vô tuyến nhận thức sử dụng tín hiệu RF, thông tin mạng, tài nguyên thiết bị, hệ thống, giá trị/ thông số cảm biến, thông tin GPS để định vị cho hệ thống hay thiết bị Một xác định vị trí, thông tin gửi cho trung tâm điều khiển để rút thông tin kênh truyền tương ứng Vô tuyến nhận thức sử dụng thông tin để cải thiện chất lượng hệ thống thông tin • Chuyển vùng Vô tuyến thông minh cho phép người dùng chuyển xuyên biên giới với sách luật thay đổi Từ đàm phán với nhiều nhà cung cấp để thiết lập kết nối sẵn sang có chi phí thấp • Quản lí chất lượng QoS Chất lượng dịch vụ thay đổi từ ứng dụng sang ứng dụng khác Vô tuyến nhận thức tối ưu thời gian truyền, lựa chọn băng thông kênh truyền điều chỉnh dịch vụ cung cấp có thay đổi chất lượng kết nối công suất • Giao tiếp người – máy Một đặc điểm vô tuyến nhận thức khả tương tác tự động thiết bị thông tin với người dùng Ta có số ứng dụng dựa khả tương tác ấy: Xác thực người dùng: Vô tuyến nhận thức nhận thức đặc điểm riêng để xác định người dùng giọng nói, DNA, dấu vân tay từ giúp trung tâm điều khiển xác định người dùng Trạng thái người dùng: Vô tuyến nhận thức xác định trạng thái người dùng : vui buồn, sợ hãi,… Dựa vào mức âm lượng giọng nói hành động Chẳng hạn người dùng sợ hãi, vô tuyến nhận thức phát tự động gọi cho trung tâm để giúp đỡ Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt 34 Cognitive radio Thói quen người dùng : Vô tuyến nhận thức học thói quen người dùng số điện thoại hay gọi nhất, trang web hay truy cập nhât,s…Từ kiến thức đưa định phù hợp tùy hoành cảnh Hình 3.8 minh họa ứng dụng vô tuyến nhận thức, môi trường xung quanh đường người dùng hàng ngày kết hợp với hệ thống thông tin để cung cấp chất lượng tín hiệu mong muốn • Nhận biết người dùng Vô tuyến nhận thức cảm biến mức độ nhận biết người dùng Khi người dùng không nắm bắt thông tin nhận, định lặp lại việc truyền nhằm cải thiện giao tiếp người dùng  Lĩnh vực phủ (Công cộng: bảo vệ, an ninh, an toàn, tình thảm họa ) Vô tuyến thông minh ứng dụng an toàn công cộng ứng phó với trường hợp khẩn cấp thảm họa Vì mạng khẩn cấp liên quan tới thông tin khẩn nên cần đảm bảo truyền thông tin cậy với trễ nhỏ Thêm vào đó, truyền thông khẩn cấp yêu cầu lượng phổ đáng kể để xử lí lượng lưu lượng lớn, bao gồm thoại, video, liệu Các mạng vô tuyến nhận thức cho phép sử dụng phổ sẵn có cách trì ưu tiên truyền thông thời gian đáp ứng Một số trường hợp điển hình ứng dụng vô tuyến nhận thức để giải vấn đề phủ bảo vệ, an ninh, an toàn, tình thảm họa • Quản lý hộ tình thảm họa Trong trường hợp thảm họa xảy ra, mạng không dây cá nhân mạng điện thoại không hoạt động khoảng phổ dùng cho an ninh công cộng tải số lượng kết nối khẩn cấp Lúc vô tuyến nhận thức sử dụng khoảng phổ trống có phép không phép thiết bị mạng không đồng để thiết lập trì kết nối khẩn cấp tạm thời Ví dụ thiết lập kết nối băng GSM sử dụng điểm truy cập WLAN - Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt 35 Cognitive radio Hình 8: Ứng dụng vô tuyến nhận thức thói quen người dùng • Cứu hỏa: Cứu hỏa đóng vai trò quan trọng việc giải thảm họa: cháy nhà, cháy rừng Nói chung lính cứu hỏa phải làm việc môi trường thay đổi liên tục thông tin phải cập nhật liên tục Chẳng hạn thảm họa cháy rừng thông tin cần thiết nhiệt độ, tốc độ gió hướng gió, số lượng lính cứu hỏa Vô tuyến nhận thức thiết lập kết nối hiệu tùy vào điều kiên kênh truyền (sức gió, độ nóng, độ ẩm) nhằm trì việc trao đổi thông tin lính cứu hỏa phận huy • Chống tội phạm: Các thông tin liên quan đến tội phạm quan trọng trình điều tra phải mang tính bảo mật Vô tuyến nhận thức giúp việc trao đổi thông tin cách nhanh chóng mang tính bảo mật cao, ngăn chặn người dùng không xác thực đánh cắp thông tin Ngoài vô tuyến nhận thức ứng dụng số lĩnh vực công cộng khác • Điều khiển giao thông: Giao thông vấn đề lớn đặc biệt vào cao điểm Trung tâm quản lí giao thông truyền thông tin vị trí giao thông tắc nghẽn, dự đoán Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt 36 Cognitive radio đưa đường thay cho người tham gia giao thông nhờ vào hệ thống vô tuyến nhận thức Tại cột đèn báo hiệu giao thông, dựa vào thông tin nhận lưu lượng người hướng để định đèn xanh đỏ sáng • Y tế: Trong tình cấp cứu: xe cấp cứu trang bị hệ thống liên lạc không dây để truyền thông tin bệnh nhân trung tâm điều khiển Những thông tin cần băng thông rộng để truyền tín hiệu thoại video tình trạng bệnh nhân để chẩn đoán đưa phương pháp điều trị kịp thời Do vô tuyến nhận thức ứng dụng nhằm đảo bảo nhanh chóng, thông suốt tin cậy thông tin Công nghệ y sinh: Công nghệ gắn thiết bị điện tử vào thể người để thay số phận báo cáo thông tin cần thiết Vô tuyến nhận thức có khả năg phát mô bất thường hay tế bào máu thể người báo cáo cho bác sĩ Nó đóng vai trò quan trọng việc cứu người Trợ giúp cho người mù: Vô tuyến nhận thức đóng vai trò đôi mắt người mù Nó nhận thông tin khu vực an toàn để đi, thời gian an toàn để băng qua đường đường từ nhà đến công sở hay nơi khác.Từ đưa dẫn đường cho người mù • Môi trường: Dự báo thời tiết: Mạng lưới cảm biến dược dùng để phát thông số thời tiết nhiệt độ, tốc độ gió, áp suất không khí, độ ẩm thời gian dài Nếu chúng trang bị khả nhận thức, chúng liên lạc qua lại mà không cần can thiệp người Bằng cách cảm biến phát hiện, thu thập, chia sẻ thông tin để tối ưu hóa hoạt động Sau thu thập đầy đủ, liệu gửi trung tâm điều khiển cảm biến gần để tối ưu công suất sử dụng, mạng sử dụng thời gian trễ Kiểm soát ô nhiễm không khí: phát tạp chất không khí ưu tiên để bảo vệ sức khỏe người Vô tuyến nhận thức ước lượng thông minh tạp chất không khí, truy xuất liệu liên quan đến ô nhiễm báo động mức độ ô nhiễm vượt qua giới hạn cho phép Mức ngưỡng vô tuyến nhận thức điều chỉnh phụ thuộc vào yếu tố khác Hiện tượng nóng lên toàn cầu: đề tài nóng giới đại nơi mà môi trường bị ô nhiễm phát triển công nghiệp, giao thông… Kết trái đất ngày nóng lên làm tan băng hai cực làm tăng mực nước biển đe dọa sống nhiều sinh vật Để tính toán tình thảm khốc Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt 37 Cognitive radio thiết lập biện pháp phòng ngừa Do cần theo dõi đường thay đổi địa lí thời tiết cách sử dụng thiết bị tự điều khiển báo cáo liệu trung tâm vô tuyến nhận thức • Quân đội: Một ứng dụng tiềm mạng Vô tuyến thông minh môi trường vô tuyến quân đội Các mạng Vô tuyến thông minh cho phép vô tuyến quân đội lựa chọn băng tần số trung tần (IF), sơ đồ điều chế sơ đồ mã hóa tùy ý, thích ứng với môi trường vô tuyến biến đổi chiến trường Các mạng quan đội cần bảo mật cao bảo vệ thông tin môi trường có địch Các mạng Vô tuyến thông minh cho phép nhân viên quân đội thực chuyển giao phổ để tìm băng phổ an toàn cho họ phe đồng minh họ 3.2 Thách thức vô tuyến nhận thức Ưu khả nhận thức hệ thống không dây giới hạn Tuy nhiên, vô tuyến nhận thức đối mặt với thách thức Ví dụ việc sử dụng phổ yêu cầu phải xác định phổ trống Tuy nhiên vô tuyến nhận thức không phát vắng mặt PU dựa vào SNR để xác định phổ trống Một số môi trường fading nhỏ lớn làm giảm cường độ tín hiệu dẫn đến phát sai Việc phát tăng độ tin cậy thông qua hệ thống mạng kết hợp Ngoài ra, SU cần thoát khỏi phổ PU trở lại Đây thách thức không nhỏ vô tuyến nhận thức Hình 9: Một số ứng dụng vô tuyến nhận thức thách thức Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt 38 Cognitive radio Quản lí phổ phức tạp đánh giá lựa chọn phổ thích hợp cho nhu cầu truyền SU truy cập vào đoạn phổ riêng vị trí thời gian khác truyền tín hiệu cho hệ thống khoảng phổ khác Đây thách thức cùa vô tuyến nhận thức Khi có nhiều người dùng đồng thời băng tần (ví dụ băng IMS) mức công suất người dùng phải điều khiển cho giảm nhẹ nhiễu không mong muốn Việc mã hóa liệu đường truyền phải đáp ứng nhu cầu bảo mật bảo vệ chống lại xâm nhập Hình 10: Một số ứng dụng vô tuyến nhận thức thách thức Việc định giá sử dụng phổ cho SU đề tài bàn luận Trong dịch vụ phổ cấp phép cung cấp cho người dùng với chế định giá thiết lập từ lâu Để tránh khai thác phổ không phép không cần thiết tạo công cho người dùng phổ cấp phép cần số chế định giá cho việc sử dụng phổ không phép Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt 39 Cognitive radio Xét lĩnh vực mạng, ta có số thách thức cho vô tuyến nhận thức xác định trì đường định tuyến tối ưu, quản lí mạng hiệu quả, thiết lập kênh điều khiển tương thích Sự linh động người dùng phổ không phép tạo nên thách thức cho việc cấu hình mạng động Độ phức tạp phần cứng tăng lên với khả thông minh vô tuyến nhận thức.Vì vậy, khả độ phức tạp phần cứng tương lai thách thức để biến ứng dụng vô tuyến nhận thức thành thực SDR có lẽ bước trình giải vấn đề Để thực kết nối nơi đâu, thiết bị vô tuyến nhận thức cần tuân theo cách tự động với sách qui định thay đổi theo vùng địa lí Khi vô tuyến nhận thức đưa vào ứng dụng, sống trở nên thoải mái, tiên nghi, dễ dàng thông tin không dây Muốn ta cần giải thách thức khó khăn việc thực hóa hệ thống vô tuyến nhận thức Nhóm 5- Cao học KTVT2014 đợt 40 ... thống vô tuyến nhận thức Chương 3: Ứng dụng vô tuyến nhận thức Cognitive radio CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 1.1 Lý đời vô tuyến nhận thức Các mạng thông tin vô tuyến ứng dụng nhiều... loại ứng dụng vô tuyến nhận thức thông tin không dây Hình 1: Phân loại ứng dụng vô tuyến nhận thức Nhóm bao gồm ứng dụng vô tuyến nhận thức để tối ưu hóa tài nguyên không dây Nhóm thứ hai ứng dụng. .. học KTVT2014 đợt 25 Cognitive radio CHƯƠNG III ỨNG DỤNG CỦA VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 3.1 Ứng dụng thông tin không dây nhận thức Vô tuyến nhận thức ứng dụng rộng rãi việc cải thiện hoạt động hệ thống