Nâng cao hiệu quả cảm biến phổ cho mạng vô tuyến nhận thức sử dụng thuật toán dơi

Bài viết này đề xuất SDF dựa trên thuật toán dơi (Bat Algorithm- BA) và so sánh với SDF dựa trên giải thuật di truyền (Genetic Algroithm–GA). Kết quả mô phỏng cho thấy việc sử dụng BA cho xác suất phát hiện cao hơn với tốc độ hội tụ và thời gian thực hiện tốt hơn khi sử dụng GA.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nâng cao hiệu quả cảm biến phổ cho mạng vô tuyến nhận thức sử dụng thuật toán dơiNghiên cứu khoa học công nghệ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CẢM BIẾN PHỔ CHO MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC SỬ DỤNG THUẬT TOÁN DƠI Nguyễn Viết Tuyến1*, Hoàng Mạnh Kha1, Nguyễn Hải Dương2, Võ Kim2 Tóm tắt: Cảm biến phổ (Spectrum Sensing- SS) đóng vai trò quan trọng mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Network– CRN) nhằm mục đích tái sử dụng dải tần khi không được sử dụng. Phương pháp cảm biến phổ hợp tác (Cooperative Spectrum Sensing – CSS) đã được đề xuất để xác định sự tồn tại của người dùng chính (Primary User – PU). Phương pháp CSS xác định sự tồn tại của PU được thực hiện dựa trên quyết định cứng (Hard Decision Fusion – HDF) và quyết định mềm (Soft Decision Fusion – SDF). Bài báo này đề xuất SDF dựa trên thuật toán dơi (Bat Algorithm- BA) và so sánh với SDF dựa trên giải thuật di truyền (Genetic Algroithm –GA). Kết quả mô phỏng cho thấy việc sử dụng BA cho xác suất phát hiện cao hơn với tốc độ hội tụ và thời gian thực hiện tốt hơn khi sử dụng GA.Từ khóa: Truyền thông không dây, Vô tuyến nhận thức, Cảm biến phổ, Thuật toán dơi. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Với sự phát triển của các dịch vụ và ứng dụng không dây, nhu cầu truy cập phổ tầntăng lên đáng kể. Trong thực tế, các dải tần hầu như đã được cấp phát, vì thế đây là mộtthách thức đối với sự phát triển của truyền thông không dây. Tuy nhiên, kết quả khảo sátbởi FCC (Federal Communications Commission) [6] và SSC (Shared Spectrum Company)[5], đã chỉ ra rằng hầu hết các phổ tần đã được phân bổ hoặc là không sử dụng hoặc ít sửdụng, hiệu suất sử dụng chỉ từ 15% - 85%, đặc biệt dải trên 3Ghz rất ít sử dụng. Tại ViệtNam, một số nhà nghiên cứu đã tiến hành khảo sát tình hình sử dụng phổ tại thành phố HồChí Minh và Long An trong dải từ 30MHz đến 3Ghz [2], theo khảo sát này, tại thành phốHồ Chí Minh hiệu suất sử dụng phổ trung bình khoảng 13,74%. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc khan hiếm phổ tần trong truyền thông không dây làdo việc phân bổ phổ tần cố định kém hiệu quả. Để tận dụng tốt nhất băng tần đã được cấpphát, CRN đã được đề xuất bởi Mitola [1]. CRN là công nghệ mạng không dây cho phépsử dụng phổ một cách linh hoạt, truy nhập phổ động (Dynamic Spectrum Access – DSA)tại các băng tần đã được cấp phép tạm thời không sử dụng (gọi là hố phổ hay khoảngtrắng) đã cấp cho các người dùng chính PU. Để tránh gây nhiễu cho hệ thống sơ cấp,người dùng thứ cấp (Secondary User – SU) chỉ được phép truy cập phổ ở những khoảngthời gian và vị trí đặc biệt nào đó và phải chuyển sang dải tần khác bất kể khi nào PU sửdụng dải tần đó. Việc xác định các hố phổ để có cơ hội truy cập được gọi là cảm biến phổ(Spectrum Sensing – SS). SS phải hiệu quả và tin cậy để tránh gây nhiễu cho các PU đangtồn tại. Các SU có thể thực hiện SS một cách riêng lẻ bằng việc sử dụng các kỹ thuật SSnhư phát hiện năng lượng (Energy Detection – ED), sử dụng bộ lọc kết hợp (MatchedFilter – MF), phát hiện dựa trên đặc tính dừng của tín hiệu (Cyclostationary FeatureDetection- CFD). Tuy nhiên, việc thực hiện SS dùng các nút đơn lẻ chịu ảnh hưởng nặngnề của môi trường truyền dẫn như hiện tượng pha đinh đa đường, bóng che, Doppler dẫnđến các tín hiệu mạnh cũng có thể bị suy giảm trầm trọng. Để khắc phục điều này, CSS đãđược đề xuất [7]. Trong CSS, các SU có thể hợp tác với nhau để cảm biến phổ, tạo ra cácmạng nhiều SU phân tập không gian, thông tin cảm biến từ các SU được tập hợp tại núttrung tâm, nút này được gọi là nút quyết định (Fusion Center – FC), FC sẽ xác định có sựtồn tại tín hiệu của PU hay không. Hiện nay, FC quyết định dựa trên hai kỹ thuật là quyếtđịnh cứng HDF [3], [4] hoặc quyết định mềm SDF [8], [11]. Hiệu quả phát hiện dùng SDFtốt hơn so với dùng HDF [10]. Với kỹ thuật SDF hiệu quả cảm biến phổ phụ thuộc vàoTạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017 111 Kỹ thuật điều khiển & Điện tửviệc chọn các bộ véc tơ trọng số. Trong [8], [11] lần lượt sử dụng kỹ thuật kết hợp với tỉ lệcực đại (Maximal Ratio Combination - MRC) và kỹ thuật kết hợp đồng độ lợi (Equal GainCombining - EGC) để xác định bộ véc tơ trọng số nhằm cực đại hóa xác suất phát hiện. Đểxác định véc tơ trọng số tối ưu, [10], [14], [15] đề xuất sử dụng thuật toán di truyền GA vàđã chỉ ra việc dùng GA đem lại kết quả tốt hơn so với MRC và EGC. Tuy nhiên, khi sửdụng GA nếu không gian tìm kiếm lớn tốc độ hội tụ của thuật toán chậm [13]. Bài báo nàyđề xuất sử dụng thuật toán dơi (Bat Algorithm - BA) để cực đại hóa xác suất phát hiện PUthông qua xác định véc tơ trọng số tối ưu trong CSS và so sánh với đề xuất sử dụng GA. Phần còn lại của bài báo được trình bày như sau. Mô hình của hệ thống và CSS dựatrên SDF sử dụng thuật toán dơi được trình bày ở mục 2. Kết qu ...