Vô tuyến thông minh Giải pháp công nghệ sử dụng hiệu quả tần số vô tuyến

Nội dung text: Vô tuyến thông minh Giải pháp công nghệ sử dụng hiệu quả tần số vô tuyến

1. z  Vôô ttuuyyếếnn tthhôônngg mmiinnh GGiiảảii phááp côôngg nnghhệ ssử ddụụnng hiiệệuu qquuả tầần ssốố vvôô ttuuyếếnn
2. 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:
3. - 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
4. 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
5. 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.
6. 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:
7. - 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
8. 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.
9. 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
10. 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
11. 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.
12. Vô tuyến thông minh: Giải pháp công nghệ sử dụng hiệu quả tần số vô tuyến (Phần 2) Nguồn: khonggianit.vn IV. Truy cập phổ tần động trong mạng vô tuyến thông minh >> Vô tuyến thông minh: Giải pháp công nghệ sử dụng hiệu quả tần số vô tuyến (Phần 1) Để có thể tận dụng được những hố phổ rỗi như hình 1, một phương pháp quan trọng được áp dụng trong mạng vô tuyến thông minh, đó là phương pháp truy cập phổ tần động. Phương pháp này cho phép các thiết bị vô tuyến thông minh thực hiện thông tin một cách thông minh theo độ khả dụng của phổ tần. Truy cập phổ tần động, được thể hiện ở khối lựa chọn tần số động DFS như trên hình 2. Sự kết hợp của truy cập phổ tần động với khối IPD cho phép thiết bị vô tuyến không được cấp phép truy cập vào băng tần được cấp phép trong một khoảng thời gian ngắn mà không ảnh hưởng đến quyền truy cập mạng của thiết bị có quyền ưu tiên cao hơn. Việc chia sẻ phổ tần giữa các hệ thống vô tuyến khác nhau thực chất là việc chia sẻ việc sử dụng các dải tần số giữa các mạng truy nhập vô tuyến khác nhau mà thôi. Vì trong các hệ thống, tài nguyên vô tuyến chủ yếu được các mạng truy nhập sử dụng để truyền dẫn tín hiệu từ mạng đến khách hàng. Cơ chế hoạt động của phân bổ tần số động giữa các mạng truy nhập như sau: Sử dụng các khoảng tần số liền kề để cấp phát cho các mạng truy nhập vô tuyến khác nhau. Các khoảng tần số
13. ấn định cho mỗi hệ thống được phân cách bằng một băng tần bảo vệ, việc làm này cũng giống với cơ chế phân bổ tần số cố định hiện nay. Tuy nhiên, ở cơ chế phân bổ tài nguyên này bề rộng phổ gán cho mỗi một mạng truy nhập vô tuyến được thay đổi tùy theo thay đổi của yêu cầu phổ tần của từng mạng theo thời gian và không gian như Hình 6. Hình 6 Cơ chế phân bổ phổ tần liền kề động này có ưu điểm là việc quản lý và phân bổ tài nguyên phổ tần đơn giản; trong khi vẫn có được những ưu điểm như đối với phương pháp phân bổ tần cố định, như kiểm soát được nhiễu từ các mạng truy nhập vô tuyến khác chỉ cần dùng một băng tần bảo vệ. Hơn thế nữa, cơ chế này tối thiểu hóa việc hợp tác quản lý giữa hai mạng truy nhập bởi vì chúng ta chỉ cần xác định được vị trí của dải tần bảo vệ giữa hai băng tần ấn định liền kề. Tuy nhiên, do sự đơn giản trong việc quản lý phổ tần của cơ chế nên cũng có những nhược điểm như: Nếu muốn tăng bằng tần cho một mạng truy nhập vô tuyến thì băng tần của mạng truy nhập vô tuyến lân cận sẽ bị cắt giảm. Do đó, nếu một mạng truy nhập
14. vô tuyến có nhu cầu tăng lượng băng tần cấp phép sẽ không được đáp ứng nếu như mạng truy nhập vô tuyến bên cạnh không thể cắt giảm băng tần của mình được. Mặc dù còn tồn tại nhược điểm như vậy nhưng phương pháp phân bổ tài nguyên này vẫn có ý nghĩa trong việc tận dụng các băng tần trống của các hệ thống mạng truy nhập khách dựa trên quy luật dịch vụ mà không phải sử dụng các thuật toán điều khiển quá phức tạp. Hiện nay, phương pháp phân bổ tài nguyên vô tuyến động đang được tập trung nghiên cứu trong các mạng truy nhập vô tuyến là mạng di động 3G (UMTS) và hệ thống truyền hình quảng bá số mặt đất DVB-T. Lựa chọn hai loại mạng truy nhập này để đưa vào nghiên cứu vì hai mạng truy nhập này có cơ chế cung cấp dịch vụ hoàn toàn khác nhau. Một bên là cung cấp dịch vụ theo yêu cầu của khách hàng (mạng di động) trong khi đó mạng truyền hình quảng bá số mặt đất thì phát quảng bá tín hiệu đến các khu vực khác nhau. Đối với mạng di động thì nhu cầu về băng tần chủ yếu tập trung vào giờ làm việc trong khi đó các dịch vụ truyền hình lại chủ yếu tập trung vào ngoài giờ làm việc. Đặc điểm khác biệt về quy luật dịch vụ này làm cho vai trò của việc phân bổ phổ tần động ở trên trở nên cấp thiết và quan trọng hơn. Hơn thế nữa, mạng 3G-UMTS và mạng truyền hình quảng bá vô tuyến số mặt đất DVB-T có chung bề rộng sóng mang (Với 3G-UMTS là 5 MHz trong khi đó DVB-T là 8 MHz). Một phân tích về qui luật sử dụng dịch vụ của hai hệ thống trên, được trình bày ở Hình 7.
15. Hình 7. Dạng phân bố lưu lượng thay đổi theo thời gian của dịch vụ DVB-T và UMTS Phân bổ phổ tần động theo thời gian Thuật toán phân bố tần số động liền kề theo thời gian sẽ hoạt động theo các chu kỳ định trước cho từng ngày. Những tính toán về phổ tần yêu cầu bởi mỗi mạng truy nhập vô tuyến dựa trên những dự đoán về tải hệ thống. Do đó, việc dự đoán tải của từng mạng truy nhập sẽ là phần tử quan trọng trong thuật toán phân bổ phổ tần động theo thời gian. Quá trình dự đoán tải gồm hai vấn đề: Lịch sử tải, đó là một cơ sở dữ liệu về tải trọng của mạng trong thời gian trước đó, và thuật toán dự đoán theo chuỗi thời gian. Nếu như các sự kiện về tải bất thường sảy ra, yếu tố lịch sử tải trọng sẽ không thể cung cấp đầy đủ thông tin để thích ứng, do đó sẽ dẫn đến việc phân bổ phổ tần không hiệu quả và chính xác. Khi đó, dự đoán chuỗi thời gian sẽ được sử dụng để ước tính tải trọng. Dựa trên dự đoán tải trọng, các mạng truy nhập vô tuyến sẽ ước tính được số sóng mang sẽ phải đáp ứng cho mạng truy nhập trong thời gian sắp tới. Các mạng truy nhập vô tuyến sẽ thông báo cho phân hệ phân bổ tài nguyên vô tuyến động những tần số sóng mang hiện tại nó không dùng. Và các tần số sóng mang trống này sẽ được gán lại cho các mạng truy nhập
16. vô tuyến khác nếu chúng có nhu cầu. Lưu ý rằng, một sóng mang vô tuyến nào đó sẽ được gán cho mạng truy nhập vô tuyến khác nếu như không có cuộc gọi nào đang được mang đi trên nó. Thuật toán phân bổ tài nguyên sẽ quyết định cách thức mà các tần số sóng mang còn trống được phân bổ cho các mạng truy nhập vô tuyến. Để nhiều sóng mang trống đối với một hệ thống phân bổ tài nguyên vô tuyến động nào đó, các cuộc gọi mới trong mạng truy nhập thường được truyền tải trên các sóng mang cách xa băng tần bảo vệ nhất giữa hai mạng truy nhập vô tuyến hoặc chuyển giao các cuộc gọi hiện hành sang các tần số đó nếu có thể. Do đó, các tần số sóng mang gần với khoảng bảo vệ sẽ được sử dụng để ấn định lại cho một mạng truy nhập vô tuyến khi cần. Chức năng cơ bản của phân bổ tài nguyên vô tuyến động theo thời gian được thể hiện ở Hình.8. Hoạt động của thuật toán phân bổ tài nguyên vô tuyến động theo thời gian dựa trên đặc tính lưu lượng biến đổi theo thời gian của các mạng truy nhập vô tuyến. Hình 9 minh họa đặc tính lưu lượng của dịnh vụ thoại (mạng UMTS) và dịch vụ video (DVB-T). Phân bổ tài nguyên vô tuyến động theo thời gian khi dự đoán tải hoàn hảo Chúng ta xem xét hoạt động của bộ phân bổ tài nguyên vô tuyến động trong
17. trường hợp dự đoán tải hoàn hảo, nghĩa là không có sự kiện bất ngờ nào xảy ra trong đặc tính lưu lượng của các mạng truy nhập vô tuyến. Điều này cũng đồng nghĩa với lịch sử sẽ không mang lại ước tính tốt cho tải của mạng truy nhập vô tuyến trong tương lai. Hình 9 Ảnh hưởng của khoảng truy nhập phổ tần động DSA lên hiệu năng của hệ thống Hình 9 thể hiện hoạt động của thuật toán phân bổ tài nguyên động theo thời gian ở các khoảng thời gian khác nhau giữa các lần ấn định lại phổ tần. Theo đó, độ lợi của thuật toán phân bổ tài nguyên động sẽ thay đổi khi các khoảng thời gian của thuật toán phân bổ tài nguyên động tăng lên. Kết quả trên hình 9 thể hiện hai miền ký hiệu là phân bổ tài nguyên tần số động tin cậy và không tin cậy. Trong khoảng thời gian dưới 4 giờ thì độ lợi của các mạng truy nhập vô tuyến đều vượt trội so với độ lợi của phương pháp phân bố tài nguyên cố định. Tuy vậy với khoảng thời gian của phân bổ tài nguyên vô tuyến động lớn hơn 4 giờ đồng hồ thì độ lợi của tất các mạng truy nhập vô tuyến đều sụt giảm rất nhanh và thấp hơn với độ lợi của thuật toán ấn định tài nguyên cố định thông thường. Hiện tượng này có thể lý giải là do thời gian phân bổ tài nguyên động đã đủ dài để khi đó tải của mạng truy nhập
18. vô tuyến đã thay đổi do đó việc phân phối tài nguyên phổ tần không còn chính xác nữa, dẫn đến hiệu quả của thuật toán phân bổ tài nguyên bị giảm. Hình 10 Ảnh hưởng của tương quan mẫu lưu lượng Hình 10 cho thấy tăng ích của thuật toán phân bổ tài nguyên động thay đổi theo hệ số tương quan về đặc tính lưu lượng của các mạng truy nhập vô tuyến. Độ lợi của thuật toán phân bổ tài nguyên động cao hơn thuật toán phân bổ tài nguyên cố định khoảng 40% đối với hệ số tương quan âm. Khi hệ số tương quan tăng dần thì độ lợi của thuật toán phân bổ tài nguyên động sẽ giảm. Khi hệ số tương quan lưu lượng dịch vụ của các mạng vô tuyến lớn hơn 0.5 lúc này độ lợi của thuật toán phân bổ tài nguyên cố định sẽ giảm đi và thấp hơn so với thuật toán phân bổ tài nguyên cố định. Phân bổ tài nguyên động trong trường hợp dự đoán tải không hoàn hảo Phần trên đã xem xét kết quả của thuật toán phân bố tài nguyên động trong trường hợp dự đoán tải mạng truy nhập vô tuyến là hoàn hảo. Tuy nhiên trên thực tế, có những trường hợp lưu lượng tải của mạng truy nhập khác biệt hoàn toàn với lưu
19. lượng tải của nó trước đó. Ví dụ, do một sự kiện đặc biệt nào đó mà lưu lượng cuộc gọi trong mạng UMTS tăng đột biến hoặc nhu cầu truy nhập dịch vụ video sẽ tăng vọt khi có sự kiện nóng diễn ra. Trong trường hợp như vậy, ba thuật toán dự đoán khác nhau được sử dụng để thử nghiệm. Thuật toán đơn giản đầu tiên đó là dựa trên giá trị của tải trong khoảng thời gian trước. Hai thuật toán còn lại sẽ sử dụng tải ngay trong chu kỳ trước đó và nếu nó nhỏ hơn 5% so với tải lịch sử thì thuật toán sẽ sử dụng tải lịch sử để ước tính tải trọng. Ngược lại, thuật toán sử dụng chuỗi thời gian sẽ được sử dụng để ước tính tải trọng trong tương lai. Kết quả cho thấy, thuật toán sử dụng chuỗi thời gian sẽ cho kết quả tốt hơn như minh họa trên Hình 11. Hình 11 Ảnh hưởng của khoảng DSA đến thuật toán dự đoán tải không hoàn hảo Những yêu cầu đối với thuật toán phân bổ tài nguyên theo thời gian Những yêu cầu đặt ra đối với phân bổ tài nguyên vô tuyến để đảm bảo việc ấn định tài nguyên không gây nhiễu lên các mạng truy nhập vô tuyến khác, khi chúng cùng chia sẻ phổ tần. Sau đây là những yêu cầu cơ bản
20. Lưu lượng tải thay đổi theo thời gian: Để thuật toán phân bổ tài nguyên vô tuyến theo thời gian thực sự có hiệu quả về mặt phổ tần, thì thuật toán này phải được thực hiện trong trường hợp tải của các mạng truy nhập vô tuyến khác nhau sẽ khác nhau theo thời gian. Những lưu lượng tải này có thể mô hình hóa và sử dụng để đánh giá hoạt động của thuật toán phân bổ tài nguyên động. Dự đoán tải: Phân bổ tài nguyên động theo thời gian phải có chức năng phân bổ phổ tần theo tải được dự đoán cho một thời điểm trong tương lai. Điều này thực sự cần thiết khi thuật toán phân bổ tài nguyên động không hoạt động trong khoảng thời gian ngắn. Nếu như việc phân bổ tài nguyên vô tuyến mà hoạt động với chu kỳ ngắn thì không cần phải dự đoán tải vì tải không thể thay đổi quá nhanh trong một thời gian ngắn giữa các lần ấn định lại tài nguyên. Tuy vậy, tình huống này có thể không thực tế. Do đó, tải của các mạng truy nhập vô tuyến phải được dự đoán ít nhất theo hoạt động của chúng chứ không phải hoàn toàn ngẫu nhiên. Chu kỳ dự đoán giữa các lần ấn định lại phổ: Để có thể hoạt động hiệu quả, phương pháp phân bổ tài nguyên theo thời gian cần phải thực hiện ấn định lại phổ tần đủ nhanh để có thể bắt kịp với những yêu cầu phổ tần của mạng truy nhập vô tuyến. Tuy nhiên, việc ấn định lại phổ tần nhanh sẽ gây nên những phức tạp cho mạng về mặt thời gian để một mạng truy nhập vô tuyến cần để thay đổi tần số thu phát cũng như báo hiệu cho việc thay đổi đó. Ngoài ra khoảng thời gian giữa hai lần ấn định lại tải phổ tần cũng đóng một vai trò hết sức quan trọng đối với tính chính xác của các phương pháp dự đoán. Thông thường tính chính xác sẽ tăng nếu như chu kỳ giữa hai lần ấn định lại kênh giảm. Đơn vị trao đổi tần số tối thiểu: Tham số này quy định phổ tần tối thiểu cần phải cắt đi hay thêm vào cho một mạng truy nhập vô tuyến. Nghĩa là, không thể ấn định bề rộng phổ tần cho một mạng truy nhập một cách ngẫu nhiên.
21. Rơi cuộc gọi: Trong các thuật toán phân bổ tài nguyên vô tuyến động thì nếu như một tần số sóng mang nào đó đang được kích hoạt để truyền tải các cuộc gọi thì nó không được chiếm dụng để ấn định lại cho các mạng vô tuyến khác. Quy định này để đảm bảo rằng cuộc gọi không bị rơi do việc ấn định lại tần số gây ra. Tuy nhiên, trong một vài trường hợp thì thuật toán phân bổ tài nguyên sẽ tối ưu nếu như chúng ta chấp nhận một mức rơi cuộc gọi nào đó. Trong trường hợp này thì phân bổ tài nguyên vô tuyến động có ảnh hưởng trực tiếp lên tỷ lệ thỏa mãn của các mạng truy nhập dùng chung phổ tần do việc yêu cầu các mạng truy nhập vô tuyến đánh rơi cuộc gọi. Chuyển giao giữa các tần số: Nếu giả sử rằng các mạng truy nhập vô tuyến cũng như các user có khả năng chuyển giao tần số trong cùng một dải tần số của hệ thống đó một cách dễ dàng mà không gây dán đoạn cuộc gọi Số mạng truy nhập vô tuyến chia sẻ cùng một phổ tần: Một cách tổng quát thì các thuật toán phân bổ phổ tần động không giới hạn số mạng truy nhập vô tuyến dùng chung phổ tần. Thích ứng phân bổ tài nguyên không gian: Có thể để tăng hiệu quả của giải thuật phân bổ phổ tần theo thời gian thì yếu tố không gian cũng phải được tính đến để có một thuật toán thích ứng. Sơ đồ khối chức năng của thuật toán
22. Các khối chức năng trong thuật toán phân bổ tài nguyên vô tuyến động theo thời gian gồm có: Kích hoạt ấn định tài nguyên vô tuyến động: Khối chức năng này có nhiệm vụ giám sát thời gian kể từ lần ấn định phổ tần động trước đó. Sau đó kích hoạt chức năng phân bổ tài nguyên động để ấn định lại phổ tần trong các chu kỳ thời gian trong một ngày. Chức năng kích hoạt này có thể cho phép kích hoạt ấn định tài nguyên động theo nhu cầu của mạng lưới. Quản lý lưu lượng sóng mang: Chức năng quản lý sóng mang được thiết kế để gia tăng lượng sóng mang trống trong các mạng truy nhập vô tuyến. Thuật toán có
23. thể thực hiện bằng việc khóa việc sử dụng một tần số sóng mang nào đó trong một mạng truy nhập vô tuyến trước khi nó được ấn định lại. Hoặc đánh giá số cuộc gọi mà một sóng mang nào đó truyền tải để từ đó xác định liệu hiệu quả sử dụng phổ tần có tăng lên nếu như cắt bớt một số cuộc gọi sang các tần số sóng mang còn trống khác. Ngoài ra, khối này còn có nhiệm vụ đảm bảo rằng lưu lượng các cuộc gọi trên một sóng mang nào đó là tối đa để có thể tiết kiệm được nhiều tần số sóng mang hơn. Số sóng mang sẽ được tăng thêm nữa nếu hệ thống đủ phức tạp để có thể thực hiện chuyển giao giữa các mạng truy nhập. Dự đoán và đo lường tải: Khối chức năng này được xây dựng dựa trên lịch sử tải và chuỗi thời gian như phân tích ở trên. Nghĩa là, dựa trên cơ sở dữ liệu về tải của mạng truy nhập trước đó thuật toán dự đoán sẽ ước tính tải trọng trong tương lại của mạng. Tính toán yêu cầu sóng mang: Chức năng này dùng để cho các mạng truy nhập vô tuyến biết được tải dự đoán của chúng để từ đó xác định số sóng mang cần có cho một mạng truy nhập vô tuyến. Ấn định sóng mang: Khối chức năng này thực hiện việc ấn định sóng mang cho các mạng truy nhập vô tuyến. Phân bổ tài nguyên động theo không gian Nhu cầu tải của mạng truy nhập vô tuyến không chỉ thay đổi theo thời gian mà nó còn thay đổi và khác nhau theo từng khu vực. Ví dụ như, dịch vụ phát quảng bá sẽ có nhu cầu cao ở những nơi vui chơi giải trí dịch vụ điểm đa điểm lại có nhu cầu cao ở những nơi mà ở đó nhu cầu truyền thông hai chiều được ưu tiên lựa chọn như các khu kinh doanh buôn bán. Điều đó, cho thấy nhu cầu cấp thiết để có một thuật toán phân bổ tài nguyên động theo từng khu vực địa lý và phổ tần được phân
24. bố đều cho các khu vực. Nhu cầu lưu lượng của các mạng vô tuyến khác nhau sẽ khác nhau theo không gian được minh họa trong Hình 13. Hình 13 Phân bố phổ tần động theo không gian Theo đó, phổ tần phân bố cho hai khu vực cạnh nhau là không chồng lấn lên nhau. Chiến lược phân bổ phổ tần này được cho là hợp lý trong trường hợp quy hoạch các mạng truy nhập vô tuyến là độc lập (không có sự đo kiểm để tránh nhiễu giữa các mạng truy nhập vô tuyến khác nhau nếu chúng hoạt động ở cùng dải tần số) Những yêu cầu đối với thuật toán phân bổ tài nguyên theo không gian : Mục tiêu của các yêu cầu đối với phân bổ tài nguyên vô tuyến động theo không gian là để không có nhiễu xảy ra ở biên giữa các khu vực của thuật toán phân bổ tài nguyên vô tuyến động. Những yêu cầu này phục vụ cho việc phối hợp phân bố phổ tần giữa các khu vực phân bố phổ tần động bằng việc chèn thêm các khoảng bảo vệ. Dưới đây là các yêu cầu cơ bản: Lưu lượng thay đổi theo không gian: Để các thuật toán phân bổ tài nguyên vô tuyến theo không gian hiệu quả về mặt phổ tần, các mạng truy nhập vô tuyến phải quan tâm đến đặc tính lưu lượng của mạng theo từng khu vực địa lý khác nhau. Thuật toán phân bổ phổ tần động theo không gian phải thực hiện mô hình hóa quy luật lưu lượng theo không gian để thực hiệm việc đánh giá goạt động của phương
25. pháp thiết kế. Đơn vị trao đổi tần số tối thiểu: Cũng giống như thuật toán phân bổ tài nguyên vô tuyến theo thời gian, thuật toán phân bổ theo không gian cũng đưa ra quy định về bề rộng phổ tối thiểu được thềm vào hoặc cắt bớt giữa các mạng truy nhập vô tuyến. Thích ứng phổ theo không gian: Phân bổ phổ tần theo không gian không thể thay đổi theo sự thay đổi về nhu cầu lưu lượng theo không gian với một sự thay đổi bất kỳ nào đó về mặt không gian. Phân giải không gian mà ở đó thích ứng phân bổ phổ tần theo khu vực được thực hiện. Việc phân giải không gian sẽ dẫn đến một khái niệm về kích thước phân bổ tần số động khu vực, đó là khu vực mà ở đó nhu cầu về lưu lượng không thay đổi theo không gian. Mối quan hệ giữa phân bổ tài nguyên khu vực và tế bào của các mạng truy nhập vô tuyến: Phân bổ tài nguyên vô tuyến khu vực dẫn đến phân bố địa lý các thiết bị phân bổ tài nguyên trong một mạng truy nhập vô tuyến thực tế. Bởi vì, khi xem xét tín hiệu báo hiệu phân bổ tài nguyên vô tuyến, dường như chỉ có một node phân bổ tài nguyên trong một khu vực phân bổ tài nguyên. Khi thích ứng phổ tần được thực hiện trên hệ thống các máy thu phát trong mạng truy nhập vô tuyến, chiều tối thiểu của khu vực phân bổ tài nguyên sẽ trùng kích thước của một ô lớn nhất trong hệ thống vô tuyến. Dùng chung đánh giá tải lưu lượng giữa các khu vực phân bổ tài vô tuyến động khác nhau: Giả sử rằng các thuật toán phân bổ tài nguyên vô tuyến động không gian mà tải của nó được phân bố giữa các phân bổ tài nguyên vô tuyến khu vực lân cận. Đây là yêu cầu quan trọng đối với cấu trúc của phân bổ tài nguyên động vì để có thể phối hợp ấn định phổ tần giữa các phân bổ tài nguyên khu vực lân cận với nhau, mỗi một phân bổ tài nguyên vô tuyến khu vực phải nhận thức
26. được ít nhất các mức lưu lượng của các ô cạnh mình. Vì vậy, cần phải có tương tác mạng giữa các node phân bổ tài nguyên khu vực đối với phân bố thông tin tải lưu lượng chung. Node phân bổ tài nguyên động thông minh: Yêu cầu này đối với các thuật toán phân bổ tài nguyên vô tuyến động trong trường hợp khu vực bảo vệ trong mỗi một phân bổ tài nguyên khu vực để hạn chế việc chèn vào các phổ tần số vô tuyến không sử dụng. Để thực hiện được điều này, mỗi một node phân bổ tài nguyên động phải có khả năng thiết lập các phân bổ tần số khác nhau trong cùng một khu vực phân bổ tài nguyên. Số mạng truy nhập vô tuyến chia sẻ dùng phổ tần: Phân bổ phổ tần động theo không gian với mục đích là phát triển các thuật toán ấn định sóng mang sao cho phổ tần có thể cấp phát cho số lượng bất kỳ các mạng truy nhập vô tuyến. Sơ đồ khối thuật toán Thuật toán phân bổ tài nguyên vô tuyến theo không gian có các khối chức năng
27. chính như sau: Dự đoán và đánh giá tải: Để đơn giản, những kết quả ban đầu của thuật toán phân bổ tài nguyên vô tuyến theo không gian có được với giả thiết rằng các phân bổ tài nguyên có khả năng dự đoán tải một cách hoàn hảo sao cho mỗi mạng truy nhập vô tuyến được cung cấp một giá trị xác định tải trọng. Giả thuyết này là cần thiết bởi vì khi nghiên cứu về thuật toán phân bổ không gian chúng ta cố định đại lượng thời gian do đó rất khó để có thể mô hình hóa mất kỳ một phương pháp dự đoán tải nào. Tính toán yêu cầu sóng mang: Chức năng của khối này là từ thông tin có được từ dự đoán tải trọng của mạng sẽ tính toán số sóng mang cần thiết cho mỗi một mạng truy nhập. Kết quả đầu ra của khối chức năng này sẽ là đầu vào vủa thuật toán ấn định không gian ở phần sau. Thủ tục ấn định sóng mang: Đây là vấn đề hết sức quan trong trong bất cứ một thuật toán phân bố tài nguyên động nào để ấn định các sóng mang cụ thể cho từng mạng truy nhập vô tuyến. Hiện nay, có nhiều các phương pháp truy nhập phổ tần động đã được các nhóm nghiên cứu khác nhau trên thế giới đề xuất. Tuy nhiên, mỗi phương pháp thường tập trung vào một ứng dụng cụ thể chứ chưa có một mô hình truy nhập phổ tần động phù hợp chung cho giải pháp vô tuyến thông minh. Đây vẫn đang là vấn đề mở cho các nhóm nghiên cứu trên thế giới. Ủy ban truyền thông liên bang (FCC) Mỹ đã đề xuất phương pháp truy cập phổ tần động theo mô hình nhiệt độ nhiễu (Interference Temperature Model - ITM). Trong mô hình này, thiết bị vô tuyến sẽ đo nhiệt độ nhiễu và xác định giới hạn
28. nhiệt độ nhiễu trước khi phát. Quan hệ giữa nhiệt độ nhiễu và băng tần, tần số sóng mang được thể hiện như sau [1]: TI = PI(fc,B)/kB (1) o trong đó, TI là nhiệt độ nhiễu ( K), PI(.) là công suất nhiễu trung bình (W) tại tần số fc với độ rộng băng tần B (Hz), và k là hằng số Boltzman. Từ đó thiết bị có thể xác định tham số độ rộng băng tần và mức công suất phát để đạt được dung lượng mong muốn mà không vi phạm giới hạn nhiệt độ nhiễu. Trong mạng vô tuyến thông minh, quyền truy nhập vào mạng của thiết bị dựa trên nhiệt độ nhiễu. Cơ chế này hình thành nên mô hình đa truy nhập theo nhiệt độ nhiễu ITMA (Interference Temperature Multiple Access) . Trước khi phát, nút mạng tiến hành đo nhiệt độ nhiễu TI, là một hàm của băng tần cần đo như ở (1). Sau đó, giá trị trên sẽ phối hợp cùng với giới hạn nhiệt độ nhiễu TL, dung lượng cần thiết Creq và tham số phạm vi L (đặc trưng cho đặc tính kênh) để tính toán độ rộng băng B và tốc độ dữ liệu. Quá trình trên được lặp lại cho đến khi giá trị B hội tụ như được mô tả ở Hình 15. Nếu độ rộng băng B cần thiết để truyền thành công gói tin có giá trị nhỏ hơn BmaxB , thì gói tin được truyền. Ngược lại, nếu B > BmaxB gói tin không được truyền, thiết bị vô tuyến có các lựa chọn sau: - Đợi: Do xuyên nhiễu trong thời gian ngắn nên có thể phải tạm thời dừng truyền tin. - Giảm C, giảm tốc độ dữ liệu gói: Tuy nhiên, do yêu cầu của loại hình dịch vụ
29. mà không thể giảm C xuống dưới mức ngưỡng Cmin. - Tăng L, giảm phạm vi vô tuyến: Nếu máy thu đích ở xa, hoặc bị fading hoặc bị che chắn, L không thể tăng vượt quá Lmax. - C Lmax và quá hạn đợi, phương pháp cuối là phải dịch toàn mạng sang một tần số làm việc mới. Hình 15: Lưu đồ thuật toán cho ITMA