Vô tuyến thông minh: Giải pháp sử dụng công nghệ vô tuyến hiệu quả phần 1

Vô tuyến thông minh: giải pháp công nghệ sử dụng hiệu quả tần số vô tuyến - Phần 1 Nguồn: khonggianit.vn Với công nghệ vô tuyến thông minh, các thiết bị vô tuyến thông minh được sử dụng để cảm ứng, nhận diện và sử dụng phổ tần vô tuyến hiệu quả hơn nữa theo thời gian, không gian và tần số. Theo Ed Thomas “ Nếu xét toàn bộ giải tần số vô tuyến từ 0 đến 100 GHz và quan trắc ở một thời gian và không gian cụ thể, thì chỉ có từ 5% đến 10% lượng phổ tần được sử dụng”. Như vậy, có hơn 90% tài nguyên phổ tần vô tuyến bị lãng phí [1]. Công nghệ vô tuyến thông minh hiện được xem như là một giải pháp tối ưu cho vấn đề này. Bài viết sẽ trình bày tổng quan các khái niệm, cơ chế truy cập phổ tần động, mô hình hệ thống điển hình cũng như tính khả thi của công nghệ vô tuyến thông minh trong các hệ thống không dây thế hệ sau. I. Khái niệm về vô tuyến thông minh Hệ thống vô tuyến thông minh 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 [2]. 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 thông minh. 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 thông minh 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 thông minh phải có những tính năng cơ bản như sau: - Điều chỉnh tần số hoạt động của hệ thống một cách tức thì từ một băng tần này đến một băng tần khác (còn trống) trên dải tần cho phép (Hình 1). - 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. Hình 1: Khái niệm hố phổ rỗi hình thành lên ý tưởng về vô tuyến thông minh II. Mô hình vô tuyến thông minh dựa trên SDR Mô hình vô tuyến thông minh điển hình trên cơ sở SDR như Hình 2. Theo đó, các chức năng và các đặc tính cơ bản như sau : Khối anten dải rộng (Wideband antenna) có đặc điểm là hoạt động trên toàn bộ băng tần vô tuyến thông minh (dải tần này rất rộng). Để tận dụng triệt để tài nguyên phổ tần vô tuyến còn trống một cách tức thì, anten dải rộng phải có khả năng quét tần số rất rộng sao cho có thể phát hiện được hầu hết những thay đổi của môi trường (thời gian không sự dụng của các dải tần số đã cấp phép). Toàn bộ phổ tần khả quét được chia thành N băng nhỏ, và mỗi thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) sẽ hoạt động trên một băng tần nhỏ đó. Ngoài ra, hệ thống đa anten được đề xuất để tạo búp sóng và độ lợi phân tập nhằm tăng cường độ phân giải không gian và cải thiện hiệu quả tách sóng. Khối duplexer được dùng để định hướng (phân bổ) tín hiệu cho các anten, hay nói cách khác nó phân cách tín hiệu thu và tín hiệu phát. Hình 2: Mô hình vô tuyến thông minh điển hình trên cơ sở SDR Khối lựa chọn tần số động (Dynamic Frequency Selection - DFS) là một quá trình lựa chọn tần số tự động được dùng trong vô tuyến thông minh để tránh gây nhiễu đến các hệ thống vô tuyến khác có quyền ưu tiên cao hơn khi hoạt động ở cùng băng tần. Khi hoạt động, phổ tần sẽ chỉ được lựa chọn sử dụng khi nó không bị chiếm dụng bởi thiết bị khác, và sẽ dừng chiếm dụng phổ tần này ngay khi các thiết bị vô tuyến có quyền ưu tiên cao hơn có nhu cầu sử dụng. Khối vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm (Software Defined Radio - SDR) hoạt động đồng thời trong module thu. Mỗi khối SDR được điều khiển để hoạt động trong một dải tần nhất định thông qua phần mềm mà không phải thay đổi cấu trúc phần cứng. Lý do của việc sử dụng nhiều module SDR song song thay vì chỉ một module SDR duy nhất là để giảm độ phức tạp của thiết bị SDR. Số liệu đầu ra của các khối SDR được đưa vào cùng một khối chức năng, khối này thực hiện quyết định tối ưu (thông minh) dựa trên những thông tin từ các SDR thành phần, trong đó thực hiện lựa chọn và kết hợp giữa các luồng thông tin sau tách sóng để tái tạo luồng thông tin cũng như các tín hiệu điều khiển các tham số phần phát. Khối cảm biến môi trường (Incumbent Profile Detection – IPD) phát hiện sự hiện hữu của thiết bị vô tuyến có quyền ưu tiên cao hơn dựa trên các thông tin về: sơ đồ phân bố phổ tần, thời điểm chiếm dụng phổ tần của các thiết bị vô tuyến được cấp phép, và tập tham số công suất phát. Khối tổng hợp tần số thích ứng ở phía phát có nhiệm vụ tạo ra tần số sóng mang tham khảo chuẩn một cách chính xác phục vụ cho quá trình điều chế cao tần và chuyển đổi băng tần. Muốn vậy, cần phải khai thác thông tin từ khối cảm biến môi trường (IPD) như: sơ đồ phân bố phổ tần, thời điểm chiếm dụng phổ tần của các thiết bị vô tuyến được cấp phép, và tập tham số công suất phát. Các thông số này cho phép xác định chính xác mức công suất phát nhằm đảm bảo vô tuyến thông minh không gây nhiễu đến các thiết bị vô tuyến khác. Khối điều khiển công suất phát (Transmit Power Control - TPC) cho phép thích ứng mức công suất phát theo sự thay đổi tần số làm việc của thiết bị vô tuyến thông minh. Khối cổng định thời (Timing Gate) cho phép đảm bảo rằng vô tuyến thông minh chỉ phát tín hiệu ở những tần số hiện không bị chiếm dụng. III. Mô hình mạng vô tuyến thông minh Các không dây đang tồn tại sử dụng hỗn hợp nhiều chính sách phổ và công nghệ truyền thông khác nhau. Hơn nữa, một số phần phổ vô tuyến đã được cấp phép cho các mục đích khác nhau trong khi một số băng vẫn chưa được cấp phép. Hình 3 Kiến trúc mạng Vô tuyến thông minh Các thành phần kiến trúc của mạng Vô tuyến thông minh, như Hình 3, có thể phân thành hai nhóm là mạng chính (primary network) và mạng Vô tuyến thông minh. Các thành phần cơ bản của hai nhóm mạng này được xác định như sau: - Mạng chính (Primary network): Mạng chính có quyền truy nhập tới một vài băng phổ nhất định, chẳng hạn như mạng TV quảng bá, hay mạng tổ ong nói chung. Các thành phần của mạng chính bao gồm: + Người dùng chính (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 thông minh và người dùng Vô tuyến thông minh, những người dùng chính này không cần bất cứ sự điều chỉnh hoặc chức năng cộng thêm nào. + Trạm gốc chính (Primary base-station): Trạm gốc chính (hay trạm gốc được cấp phép) là thành phần cơ sở hạ tầng mạng được cố định, có giấy phép phổ, như BTS trong mạng tổ ong. Về nguyên tắc, trạm gốc chính không có khả năng chia sẻ phổ với những người dùng Vô tuyến thông minh. Tuy nhiên, trạm gốc chính này có thể yêu cầu để có được khả năng này. - Mạng Vô tuyến thông minh: Mạng Vô tuyến thông minh (hay mạng xG, 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. Do đó, nó chỉ được phép truy nhập phổ khi có cơ hội. Mạng Vô tuyến thông minh có thể gồm cả mạng có cơ sở hạ tầng và mạng ad hoc, các thành phần của mạng Vô tuyến thông minh như sau: + Người dùng Vô tuyến thông minh: Người dùng Vô tuyến thông minh (hay người dùng xG, người dùng không được cấp phép, người dùng thứ cấp) không có giấy phép sử dụng phổ. Do đó, cần có các chức năng cộng thêm để chia sẻ băng phổ cấp phép. + Trạm gốc Vô tuyến thông minh: Trạm gốc Vô tuyến thông minh (hay trạm gốc xG, 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 thông minh. Trạm gốc Vô tuyến thông minh cung cấp kết nối đơn chặng tới những người dùng Vô tuyến thông minh mà không cần giấy phép truy nhập phổ. Thông qua kết nối này, người dùng Vô tuyến thông minh 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 thông minh 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 thông minh cùng tồn tại. Mạng Vô tuyến thông minh bao gồm nhiều loại mạng khác nhau: mạng chính, mạng Vô tuyến thông minh dựa trên cơ sở hạ tầng, và mạng Vô tuyến thông minh ad hoc. Mạng Vô tuyến thông minh 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 thông minh, có ba loại truy nhập khác nhau, đó là: · Truy nhập mạng Vô tuyến thông minh (xG network access): Người dùng Vô tuyến thông minh có thể truy nhập tới chính trạm gốc Vô tuyến thông minh ở cả băng cấp phép và không cấp phép. · Truy nhập mạng Vô tuyến thông minh ad hoc (xG ad hoc access): Người dùng Vô tuyến thông minh có thể truyền thông với những người dùng Vô tuyến thông minh 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 Vô tuyến thông minh cũng có thể truy nhâp tới trạm gốc chính thông qua băng cấp phép. IV. Hoạt động của mạng Vô tuyến thông minh Mạng Vô tuyến thông minh có thể hoạt động trong cả băng cấp phép và không cấp phép, do đó, các chức năng yêu cầu cho mạng Vô tuyến thông minh khác nhau tùy theo phổ đó là cấp phép hay không. Trên băng cấp phép Như đã chỉ ra trên Hình 1, ta thấy có những hố phổ không sử dụng trong băng phổ được cấp phép. Do đó, các mạng Vô tuyến thông minh có thể được sử dụng để khai thác các hố phổ này thông qua các công nghệ thông minh. Kiến trúc này được miêu tả trong Hình 4 trong đó các mạng Vô tuyến thông minh cùng tồn tại với các mạng chính tại cùng một vị trí và trên cùng một băng phổ. Hình 4. Mạng Vô tuyến thông minh hoạt động trên băng cấp phép Có nhiều thách thức khác nhau để thực hiện các mạng Vô tuyến thông minh trên băng cấp phép vì sự tồn tại của những người dùng chính. Mặc dù, mục đích chính của mạng Vô tuyến thông minh là xác định phổ tần có sẵn tốt nhất, nhưng các chức năng của Vô tuyến thông minh 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. Hơn nữa, nếu người dùng chính xuất hiện trong băng phổ bị những người dùng Vô tuyến thông minh chiếm, thì người dùng Vô tuyến thông minh ngay lập tức phải bỏ lại phổ hiện thời và chuyển tới phổ mới sẵn có khác, gọi là chuyển giao phổ. Trên băng không cấp phép Các mạng Vô tuyến thông minh 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 thông minh hoạt động trên băng không cấp phép được minh họa trên Hình 5. Tất cả thực thể trong mạng có quyền như nhau khi truy nhập tới các băng phổ. Nhiều mạng Vô tuyến thông minh 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 thông minh có thể cải thiện hiệu quả sử dụng phổ và hỗ trợ QoS cao. Hình 5. Mạng Vô tuyến thông minh hoạt động trên băng không cấp phép Trong kiến trúc này, những người dùng Vô tuyến thông minh tập trung vào phát hiện việc truyền của những người dùng Vô tuyến thông minh 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 Vô tuyến thông minh 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 Vô tuyến thông minh. Nếu nhiều mạng Vô tuyến thông minh nằm trong cùng một băng không cấp phép thì phải có phương pháp chia sẻ phổ phù hợp giữa các mạng này.