- Tổng quan về mạng vô tuyến nhâ ̣n thức. - Định nghĩa. - Kiến trúc mạng vô tuyến nhâ ̣n thức. - Hoạt động của mạng vô tuyến nhâ ̣n thức. - Quản lý băng tần trong mạng vô tuyến nhâ ̣n thức. - Cảm nhận băng tần. - Quyết định băng tần. - Chia sẻ băng tần. - Di chuyển băng tần. - Các giao thức định tuyến trong mạng vô tuyến nhâ ̣n thức. - Mạng vô tuyến nhâ ̣n thức CRNs. - Mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức hoạt động trên băng cấp phép. - Mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức hoạt động trên băng không cấp phép. - Phân lớp quá trình dò tìm người dùng chính. - Hình 1.10. - Hình 1.11. - Hình 1.12. - Hình 1.13. - Hình 1.14. - Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng vô tuyến nhâ ̣n thức. - Giai đoạn tránh người dùng chính sử dụng vùng tập trung. - Mô tả trạng thái ON/OFF của người dùng chính. - CCC: Common Control Channel Kênh điều khiển chung CRNs: Cognitive Radio Networks Mạng vô tuyến nhận thức CRP: Combined and multi-metric Routing. - PU: Primary User Người dùng chính PA: Primary user Avoidance Tránh người dùng chính. - Tổng quan về mạng vô tuyến nhâ ̣n thức 1.1. - Với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị vô tuyến, các tần số vô tuyến đang dần trở nên khan hiếm. - Việc cấp phép băng tần cho truyền sóng vô tuyến hiện nay được thực hiện trên cơ sở dài hạn và trên những vùng địa lý rộng lớn. - Hướng nghiên cứu đó được gọi là vô tuyến nhâ ̣n thức (Cognitive Radio Networks - CRNs), được kỳ vọng sẽ cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng tần số [3].. - Vô tuyến nhâ ̣n thức (Cognitive Radio Networks - CRNs) là mạng vô tuyến mà có thể tự động thay đổi các thông số của nó dựa vào sự tương tác với môi trường xung quanh [2].. - Từ định nghĩa này, ta có thể chỉ ra được hai đặc tính cơ bản của vô tuyến nhâ ̣n thức là:. - Khả năng cấu hình lại (reconfigurability): Từ việc nhận thức được băng tần ở trên, khả năng cấu hình lại cho phép mạng vô tuyến được tự động thay đổi cấu hình mạng tùy theo môi trường. - Vô tuyến nhâ ̣n thức có thể truyền và nhận trên nhiều tần số, và có thể dùng nhiều công nghệ truy nhập khác nhau, miễn là được hỗ trợ bởi thiết kế phần cứng của nó.. - Trong mạng vô tuyến nhâ ̣n thức , tồn tại đồng thời Primary User và Secondary User. - Primary user là người dùng chính hay người dùng được cấp phép (Licensed Users) trên một băng tần nào đó. - Secondary user là người dùng vô tuyến nhâ ̣n thức. - hay người dùng không được cấp phép (Unlicensed Users), chỉ có thể sử dụng băng tần khi có điều kiện cho phép.. - Mục tiêu của vô tuyến nhâ ̣n thức là cảm nhận được tần số khả dụng tốt nhất, và tự động cấu hình lại. - Thách thức lớn nhất với vô tuyến nhâ ̣n thức là làm sao người dùng thứ cấp tận dụng được băng tần mà không gây nhiễu lên người dùng chính. - Vô tuyến nhâ ̣n thức tận dụng băng tần trống (spectrum hole) trong các băng tần được cấp phép, nếu băng tần đó được dùng bởi người dùng chính, người dùng thứ cấp sẽ chuyển đến băng tần khả dụng khác hoặc thay đổi công suất phát hoặc điều chế tín hiệu để tránh gây nhiễu lên PUs (hình 1.1).. - Có hai nhóm là mạng chính (primary network) và mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức (hình 1.2). - Primary user: Người dùng chính (hay người dùng được cấp phép) có giấy phép để hoạt động trong một băng phổ nhất định. - Truy nhập này chỉ được giám sát bởi trạm gốc chính và không bị ảnh hưởng bởi những hoạt động của bất kì người dùng không được cấp phép khác. - Để cùng tồn tại với các trạm gốc Vô tuyến nhâ ̣n thức và người. - dùng Vô tuyến nhâ ̣n thức , những người dùng chính này không cần bất cứ sự điều chỉnh hoặc chức năng cộng thêm nào.. - Về nguyên tắc, trạm gốc chính không có khả năng chia sẻ phổ với những người dùng Vô tuyến nhâ ̣n thức. - Mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức: Mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức (hay mạng Truy nhập phổ tần động, mạng thứ cấp, mạng không được cấp phép) không có giấy phép để hoạt động trong một băng mong muốn. - Mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức có thể gồm cả mạng có cơ sở hạ tầng và mạng ad hoc, các thành phần của mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức như sau:. - Mạng vô tuyến nhâ ̣n thức CRNs [3]. - Secondary User: Người dùng Vô tuyến nhâ ̣n thức (hay người dùng không được cấp phép, người dùng thứ cấp) không có giấy phép sử dụng phổ. - Trạm gốc Vô tuyến nhâ ̣n thức (Cognitive Radio Base-station): Trạm gốc Vô tuyến nhâ ̣n thức (hay trạm gốc không cấp phép, trạm gốc thứ cấp) là thành phần cơ sở hạ tầng cố định với các khả năng của Vô tuyến nhâ ̣n thức. - Trạm gốc Vô tuyến nhâ ̣n thức cung cấp kết nối đơn chặng tới những người dùng thứ cấp mà không cần giấy phép truy nhập phổ. - Thông qua kết nối này, người dùng thứ cấp có thể truy nhập đến các mạng khác.. - Bộ phân chia phổ (Spectrum broker): Bộ phân chia phổ (hay server lập lịch) là một thực thể mạng trung tâm đóng vai trò trong việc chia sẻ các tài nguyên phổ tần giữa các mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức khác nhau. - Bộ phân chia phổ có thể kết nối với từng mạng và có thể phục vụ với tư cách là người quản lí thông tin phổ, nhằm cho phép các mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức cùng tồn tại.. - Mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức bao gồm nhiều loại mạng khác nhau: mạng chính, mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức dựa trên cơ sở hạ tầng, và mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức ad hoc. - Mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức hoạt động dưới môi trường phổ hỗn hợp, bao gồm cả các băng cấp phép và không cấp phép. - Do đó, trong mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức, có ba loại truy nhập khác nhau, đó là:. - Truy nhập mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức (Cognitive Radio Network Access):. - Người dùng thứ cấp có thể truy nhập tới chính trạm gốc Vô tuyến nhâ ̣n thức ở cả băng cấp phép và không cấp phép.. - Truy nhập mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức ad hoc (Cognitive Radio ad hoc Access):. - Người dùng thứ cấp có thể truyền thông với những người dùng thứ cấp khác thông qua kết nối ad hoc ở cả băng cấp phép và không cấp phép.. - Truy nhập mạng chính (Primary Network Access): Người dùng thứ cấp cũng có thể truy nhập tới trạm gốc chính thông qua băng cấp phép.. - Tùy theo kiến trúc mạng, mạng vô tuyến nhâ ̣n thức được chia thành mạng CRNs tập trung (centralized CRNs hay còn gọi là mạng phụ thuộc vào hạ tầng - infrastructure-based CRNs) hoặc mạng CRNs phân tán (distributed CRNs hay ad-hoc CRNs). - Trong mạng CRNs tập trung, thông tin có được từ việc cảm nhận băng tần khả dụng và phân tích được thực hiện bởi mỗi người dùng thứ cấp sẽ được tập trung tại trạm cơ sở, sau đó nó sẽ quyết định phân chia tần số để tránh nhiễu với người dùng chính. - Theo đó, mỗi người dùng thứ cấp cấu hình thông số truyền tin của nó (hình 1.3a). - Ngược lại, ở mạng CRNs phân tán, mỗi người dùng thứ cấp phải có khả năng tự quyết định hoạt động của nó dựa trên các thông tin nó có được từ việc cảm nhận băng thông (hình 1.3b). - Do các người dùng thứ cấp không thể dự đoán được ảnh hưởng của nó đến mạng nếu chỉ dựa vào thông tin mà nó cảm nhận được, do đó cần có sự phối hợp giữa các người dùng thứ cấp để trao đổi thông tin, từ đó mỗi người dùng thứ cấp sẽ có cái nhìn hoàn thiện nhất về môi trường mạng vô tuyến xung quanh để đưa ra quyết định chính xác [3].. - Hoạt động của mạng vô tuyến nhâ ̣n thức tùy theo phổ tần là được cấp phép hay không.. - Do đó, các mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức có thể được sử dụng để khai thác các hố phổ này thông qua các công nghệ nhâ ̣n thức.. - Kiến trúc này được miêu tả trong Hình 1.4 trong đó các mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức cùng tồn tại với các mạng chính tại cùng một vị trí và trên cùng một băng phổ.. - Có nhiều thách thức khác nhau để thực hiện các mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức trên băng cấp phép vì sự tồn tại của những người dùng chính. - Mặc dù, mục đích chính của mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức là xác định phổ tần có sẵn tốt nhất, nhưng các chức năng của Vô tuyến nhâ ̣n thức trong băng cấp phép lại bao gồm phát hiện sự có mặt của các người dùng chính. - Dung lượng kênh của các hố phổ phụ thuộc vào nhiễu xung quanh những người dùng chính. - Do đó, việc tránh nhiễu cho những người dùng chính là vấn đề quan trọng nhất trong kiến trúc này. - Các mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức có thể được thiết kế để hoạt động trên các băng không câp phép để cải thiện hiệu quả phổ trong phần phổ này. - Mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức hoạt động trên băng không cấp phép được minh họa trên Hình 1.5. - Nhiều mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức cùng tồn tại trong một vùng giống nhau và truyền thông sử dụng cũng một phần phổ như nhau. - Các thuật toán chia sẻ phổ nhâ ̣n thức có thể cải thiện hiệu quả sử. - Trong kiến trúc này, những người dùng thứ cấp tập trung vào phát hiện việc truyền của những người dùng thứ cấp khác. - Khác với hoạt động trên băng cấp phép, việc chuyển giao phổ không bị kích thích bởi sự có mặt của những người dùng chính khác.. - Tuy nhiên, vì tất cả những người dùng thứ cấp có quyền truy nhập phổ như nhau, nên họ phải cạnh tranh với nhau trong cùng băng không cấp phép. - Do đó, kiến trúc này đòi hỏi các phương pháp chia sẻ phổ phức tạp giữa những người dùng thứ cấp. - Nếu nhiều mạng Vô tuyến nhâ ̣n thức nằm trong cùng một băng không cấp phép thì phải có phương pháp chia sẻ phổ phù hợp giữa các mạng này.. - Quản lý băng tần trong mạng vô tuyến nhâ ̣n thức [3]. - Để thích nghi được với sự thay đổi liên tục của môi trường vô tuyến, mạng vô tuyến nhâ ̣n thức cần các quá trình thực thi trên băng tần mà gọi chung là quản lý băng tần [3]. - Kiến trúc mạng vô tuyến nhâ ̣n thức [3]. - Cảm nhận băng tần (Spectrum sensing): người dùng thứ cấp chỉ có thể sử dụng được một tỉ lệ nào đó trong băng tần. - Do đó, một người dùng thứ cấp phải phát hiện được băng tần khả dụng, sau đó tìm ra khoảng trống tần số (spectrum holes). - Nhận biết băng tần là chức năng cơ bản của mạng vô tuyến nhâ ̣n thức. - Quyết định băng tần (Spectrum decision): Khi các băng tần khả dụng đã được xác đinh, người dùng thứ cấp cần phải lựa chọn được băng tần phù hợp nhất dựa trên yêu cầu chất lượng dịch vụ (Quality of Service-QoS). - Để xây dựng được các thuật toán lựa chọn băng tần, ta cần phải nắm được các thông tin về hoạt động của người dùng chính.. - Chia sẻ băng tần (Spectrum sharing): Nếu có nhiều người dùng thứ cấp đồng thời muốn truy nhập vào băng tần, chúng cần phải thương lượng với nhau để chia sẻ băng tần để tránh xung đột. - Việc chia sẻ băng tần đòi hỏi sự phân phối tài nguyên hợp lý cho người dùng thứ cấp và tránh gây nhiễu lên người dùng chính.. - Di chuyển băng tần (Spectrum mobility): Nếu phát hiện ra người dùng chính đang cần sử dụng băng tần, người dùng thứ cấp phải ngay lập tức bỏ băng tần đó để người dùng chính sử dụng và tìm kiếm băng tần khả dụng khác để truyền tin. - Vô tuyến nhâ ̣n thức được thiết kế để thay đổi theo môi trường băng tần xung quanh, do đó nhận biết băng tần là chức năng vô cùng quan trọng. - Nhận biết băng tần cho phép người dùng thứ cấp khai thác triệt để các khoảng trống tần số. - Dò tìm người dùng chính (primary user detection. - Người dùng thứ cấp liên tục quan sát và phân tích môi trường vô tuyến cục bộ. - Dựa vào các thông tin có được nhờ quan sát và trao đổi thông tin với những người dùng thứ cấp lân cận, người dùng thứ cấp có thể xác định được sự có mặt của người dùng chính, từ đó xác định sự khả dụng của tần số đang dùng.. - Thông tin quan sát được của mỗi người dùng thứ cấp được trao đổi với những người dùng thứ cấp lân cận, từ đó nâng cao độ chính xác của quá trình nhận biết băng thông.