Cảm nhận phổ trong vô tuyến nhận thức cho tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số trực giao qua kênh truyền nhiễu trắng

Science & Technology Development, Vol 20, No.T4-2017 
Trang 180 
Cảm nhận phổ trong vô tuyến nhận thức cho 
tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số 
trực giao qua kênh truyền nhiễu trắng 
• Nguyễn Minh Trí 
• Nguyễn Thanh Tú 
• Nguyễn Hữu Phương 
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM 
(Bài nhận ngày 26 tháng 12 năm 2016, nhận đăng ngày 30 tháng 10 năm 2017) 
TÓM TẮT 
Hệ thống vô tuyến nhận thức (CR) đang là 
một trong những đề tài được quan tâm trong 
những năm gần đây. Chúng giúp cho việc sử 
dụng băng tần hiệu quả hơn. Vấn đề chính của hệ 
thống vô tuyến nhận thức là phải xác định chính 
xác được việc sử dụng băng tần của người dùng 
chính. Hiện nay có nhiều phương pháp được sử 
dụng để thực hiện điều này như dựa trên năng 
lượng (ED), cửa sổ trượt, Axell’s detector. Trong 
đó, phương pháp dựa trên đặc điểm tín hiệu 
(cyclostationarity - CS) luôn thu hút nhiều sự 
quan tâm do hiệu quả của nó ở miền SNR thấp. 
Với cyclic prefix lặp lại, tín hiệu ghép kênh phân 
chia theo tần số trực giao (OFDM) cho kết quả 
phát hiện tốt theo phương pháp này. Bài báo này 
đề xuất một phương pháp dựa trên đặc tính tự 
tương quan của tín hiệu OFDM trong môi trường 
nhiễu trắng (AWGN). 
Từ khóa: vô tuyến nhận thức (CR), cyclostationary (CS), OFDM, AWGN 
MỞ ĐẦU 
Trong những thập kỷ gần đây, nhiều nghiên 
cứu trên thế giới và ở Việt Nam chỉ ra rằng trong 
rất nhiều khoảng băng tần được cấp phép không 
được sử dụng hiệu quả [1, 2]. Điều này gây ra sự 
thiếu hụt nghiêm trọng về phổ tần vô tuyến và để 
giải quyết vấn đề trên, mạng vô tuyến nhận thức 
(CR) được đề xuất. Dựa trên ý tưởng sử dụng lại 
những vùng tần số không được sử dụng bởi 
người sử dụng chính (Primary user – PU) để cấp 
cho người sử dụng thứ cấp (Secondary user – 
SU). Hiện nay, CR được xem là một giải pháp 
hiệu quả trong việc tăng khả năng sử dụng phổ 
tần của mạng không dây và thu hút được nhiều sự 
quan tâm [3-5]. Trong mạng vô tuyến nhận thức, 
các người sử dụng thứ cấp SU sẽ được phép sử 
dụng tạm thời những phổ tần của người sử dụng 
chính PU mà không gây can nhiễu đến PU. Vì 
vậy, các SU phải có khả năng nhận thức được khi 
nào PU đang sử dụng và khi nào các SU có thể sử 
dụng phổ tần được cấp cho PU. Có thể thấy được, 
việc cảm nhận phổ tần đóng vai trò quyết định 
trong hệ thống vô tuyến nhận thức và vì thế đã có 
nhiều phương pháp được nghiên cứu và đề xuất. 
Trong đó, được quan tâm nhiều nhất là các 
phương pháp dựa trên năng lượng (ED) [6], dựa 
trên dạng sóng hay lọc phối hợp, dựa trên đặc 
trưng tín hiệu (cyclostationarity detection - CS) 
[7], dựa trên wavelet hay eigenvalue [8]. Những 
phương pháp này có những ưu điểm và nhược 
điểm riêng về khả năng cảm nhận, độ phức tạp, 
thời gian cảm nhận và yêu cầu đối với tín hiệu 
PU. Thí dụ, phương pháp cảm nhận phổ dựa trên 
năng lượng có ưu điểm là đơn giản, không có yêu 
cầu về thông tin tín hiệu của PU tuy nhiên 
phương pháp này lại không hiệu quả trong môi 
trường nhiễu lớn. Các thuật toán cảm nhận dựa 
trên dạng sóng hay lọc phối hợp đòi hỏi các điều 
kiện rõ ràng về dạng sóng pilot biết trước hay tín 
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 20, SOÁ T4- 2017 
 Trang 181 
hiệu truyền làm ảnh hưởng đến bảo mật trong 
truyền thông. Với phương pháp cảm nhận dựa 
trên đặc điểm tín hiệu chỉ sử dụng cấu trúc và đặc 
điểm thống kê của tín hiệu PU. Đối với tín hiệu 
ghép kênh phân chi theo tần số trực giao 
(OFDM), dựa trên đặc điểm tự tương quan tuần 
hoàn của cyclic prefix khi có tín hiệu OFDM sẽ 
cho giá trị khác không và bằng không khi không 
có tín hiệu để cảm nhận sự hiện diện của tín hiệu. 
Kỹ thuật này có ưu điểm là đơn giản và cảm nhận 
được tín hiệu ở vùng tỉ số tín hiệu trên nhiễu 
(SNR) thấp. 
THUẬT TOÁN CẢM NHẬN PHỔ TÍN HIỆU 
OFDM 
Tổng quan cảm nhận phổ tín hiệu OFDM 
Trong mô hình truyền OFDM, người sử dụng 
chính sẽ truyền tín hiệu ghép kênh phân chia theo 
tần số trực giao (OFDM) với Nd sóng mang con. 
Đây cũng là số lượng mẫu dữ liệu trong một 
symbol OFDM và đồng thời cũng là kích thước 
bộ IFFT (Inverse fast Fourier transform). Sau bộ 
IFFT, để giảm hiệu ứng nhiễu liên ký tự (ISI), tín 
hiệu sẽ được chèn thêm một khoảng bảo vệ có 
chiều dài Nc. Khoảng bảo vệ được tạo bằng cách 
sao chép Nc mẫu cuối của symbol OFDM và chèn 
vào đầu symbol và được gọi là cyclic prefix (CP). 
Như vậy một symbol OFDM gồm Ns = Nc + Nd 
mẫu. Sử dụng cửa sổ quan sát có chiều dài 
dL N mẫu gồm K symbol OFDM và dN mẫu 
của symbol K + 1, L = K (Nc + Nd) được minh 
họa ở Hình 1. 
Trong môi trường nhiễu Guass (AWGN), tín 
hiệu nhận được tại người sử dụng thứ cấp là 
 y k s k n k , 0,1, , 1dk L N . (1) 
Hình 1. Cấu trúc tín hiệu OFDM với CP 
Về cơ bản, cảm nhận phổ là quá trình quyết 
định sự hiện diện của tín hiệu truyền dựa trên tín 
hiệu thu được tại đầu thu người sử dụng thứ cấp. 
Điều này có thể thể hiện dưới dạng phương trình 
như sau: 
1
0
H :
H :
y k s k n k
y k n k
, 
0,1, , 1
0,1, , 1
d
d
k L N
k L N
, (2) 
với H1 và H0 lần lượt là giả thuyết có tín hiệu 
OFDM và không có tín hiệu. Số lượng mẫu thu 
thập trong quá trình cảm nhận là L + Nd mẫu. 
Như vậy, sẽ có các trường hợp xảy ra khi cảm 
nhận phổ gồm: báo lỗi xảy ra khi kênh truyền 
trống mà quyết định có tín hiệu, phát hiện nhầm 
khi kênh truyền bận mà quyết định không có tín 
hiệu. Đây là hai trường hợp ảnh hưởng đến hiệu 
quả của việc cảm nhận phổ. Ngoài ra, xác xuất 
phát hiện tín hiệu xảy ra khi phát hiện đúng sự 
hiện diện của PU, Pd = 1 – Pmd = P(H1/H1) với 
Pmd là xác xuất phát hiện nhầm. Cuối cùng là xác 
suất phát hiện lỗ trống khi phát hiện đúng sự 
vắng mặt của tín hiệu người sử dụng chính. Để 
thiết kế một bộ cảm nhận tốt là xem xét việc cực 
đại xác suất phát hiện đúng với xác suất báo lỗi 
faP cho trước. 
Thuật toán cảm nhận phổ dựa trên CS 
Phần này trình bày thuật toán cảm nhận phổ 
dựa trên đặc điểm tuần hoàn của tín hiệu OFDM 
với các điều kiện giả định như sau: 
Science & Te