Giám sát trường điện từ ứng dụng mạng cảm biến vô tuyến nhận thức N6841

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> GIÁM SÁT TRƯỜNG ĐIỆN TỪ ỨNG DỤNG<br /> MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC N6841<br /> Trần Việt Hải1*, Nguyễn Huy Hoàng2<br /> <br /> Tóm tắt: Vô tuyến nhận thức CR (Cognitive Radio) đang được sự quan tâm phát<br /> triển gần đây, nó có khả năng cung cấp các giải pháp thông minh về yêu cầu sử<br /> dụng và truy cập phổ tần. Mạng CR cảm biến phổ N6841 được phát triển từ nền<br /> tảng là vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDR (Software Defined Radio) của<br /> hãng Agilent. Bài báo nêu lên ứng dụng mạng CR N6841 trong giải quyết bài toán<br /> giám sát trường điện từ.<br /> Từ khóa: Mạng cảm biến, Giám sát phổ, Vô tuyến nhận thức, Giám sát trường điện từ.<br /> <br /> 1. NHỮNG ĐÁNH GIÁ CƠ BẢN<br /> Công nghệ CR ra đời trên nền tảng SDR và phần mềm thông minh đã tạo ra sự<br /> đột phá mới cho các hệ thống vô tuyến. Vô tuyến nhận thức CR được lập trình đầy<br /> đủ như SDR nhưng ở cấp độ cao hơn để cảm nhận môi trường phổ điện từ. CR lấy<br /> việc chiếm hữu và sử dụng phổ tần là mục đích và xác định nhiệm vụ truy nhập<br /> phổ động DSA (Dynamic Spectrum Access) là nhiệm vụ trung tâm, thậm trí ở một<br /> mức nào đó còn gọi là cảm nhận phổ (Spectrum Sensing), khả năng thích ứng của<br /> CR là để đáp ứng hiệu quả phổ tần xung quanh nó và cung cấp những kênh truyền<br /> mới cho người sử dụng, điều này phụ thuộc vào bộ máy nhận thức CE (Cognitive<br /> Engine) của nó. Tập trung ở CE là thuật toán, kiến trúc, chức năng mềm, các thuật<br /> toán ra quyết định để thực thi [1],[2],[5].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Mô hình vô tuyến nhận thức CR<br /> điển hình dựa trên cơ sở SDR [2].<br /> <br /> Mô hình cơ bản hệ thống vô tuyến nhận thức: Nền tảng SDR được phát triển<br /> trong mô hình CR điển hình như Hình 1[2][5]. Trong đó, các khối chức năng của<br /> CR gồm: Khối anten dải rộng (Wideband antenna): đáp ứng thu phát một cách tức<br /> thời, dải quét tần số rất rộng. CR còn ứng dụng hệ thống đa anten nhằm tăng cường<br /> độ phân giải không gian. Khối duplexer chuyển mạch thu và phát. Khối lựa chọn<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 75<br />  Kỹ thuật điện tử<br /> <br /> tần số động DFS (Dynamic Frequency Selection) thực hiện quá trình lựa chọn tần<br /> số một cách tự động. Khối SDR bao gồm nhiều module song song. Mỗi khối SDR<br /> được điều khiển để hoạt động trong một dải tần nhất định thông qua phần mềm mà<br /> không phải thay đổi cấu trúc phần cứng. Từ khả năng của vô tuyến nhận thức, một<br /> ứng dụng đang được phát triển đó là: đo và giám sát phổ trong trường điện từ [3].<br /> Trong phạm vi nghiên cứu kiểm nghiệm, nhóm tác giả cấu hình một hệ thống cảm<br /> biến phổ lập trình mềm của hãng Agilent để nghiên cứu về khả năng ứng dụng CR<br /> trong việc giải quyết bài toán giám sát trường điện từ.<br /> <br /> 2. ỨNG DỤNG HỆ VÔ TUYẾN CẤU HÌNH MỀM N6841<br /> CHO VIỆC GIÁM SÁT PHỔ TRƯỜNG ĐIỆN TỪ<br /> <br /> 2.1. Giới thiệu về hệ thống và các kỹ thuật sử dụng<br /> Nhóm tác giả đã nghiên cứu hệ thống cảm biến phổ N6841 [4] dưới góc độ cảm<br /> nhận phổ để giải quyết bài toán xây dựng bản đồ trường điện từ phục vụ cho việc<br /> quy hoạch, quản lý và giám sát phổ tần vô tuyến linh hoạt và hiệu quả. Mô hình<br /> mạng cảm biến phổ vô tuyến (RF) tích hợp với cấu hình định hướng nguồn bức xạ<br /> (DF) và giám sát trường điện từ (EM) được chỉ ra trong hình 2 [4].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Mô hình mạng cảm biến RF tích hợp<br /> với hạ tầng DF và giám sát EMC [4].<br /> <br /> - Cảm biến RF N6841: Là một máy thu SDR có thể được lập trình linh hoạt cho<br /> các ứng dụng giám sát khác nhau. Cấu hình thiết kế N6841 được tối ưu hóa trên<br /> nền tảng FPGA cho phép tái cấu hình đáp ứng các yêu cầu ứng dụng cụ thể của bài<br /> toán giám sát trường điện từ. Nó có thể thực thi các tín hiệu từ IF số 20MHz với bộ<br /> lọc phân chia băng thông biến đổi. Cảm biến RF N6841 có bộ nhớ đệm 1,2 GB với<br /> dòng dữ liệu I/Q và FFT, cho phép thu ghi dài hơn đối với băng thông nhỏ hơn<br /> thông qua việc giảm tốc độ lấy mẫu.<br /> <br /> <br /> <br /> 76 Tr.V.Hải, N.H. Hoàng, “Giám sát trường điện từ …. vô tuyến nhận thức N6841.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> - Cấu hình mạng cảm biến N6841: Các cảm biến RF có thể được tích hợp trong<br /> một hệ thống giám sát tín hiệu, bao gồm: Các hệ thống tìm kiếm, phát hiện, định<br /> vị, giám sát và phân tích tín hiệu và nhiễu. Trong mạng cảm biến, các nhiệm vụ<br /> khác nhau có thể được giao cho các cảm biến RF riêng biệt, các nhiệm vụ này có<br /> thể được thay đổi động và được thực hiện hoàn toàn bằng phần mềm chẳng hạn<br /> thay đổi các yêu cầu giám sát.<br /> Với cảm biến N6841, phép đo công suất được thể hiện tốt nhất khi các cảm biến<br /> kết hợp thành một mạng liên kết với nhau trên mạng vô tuyến hoặc hữu tuyến. Sự<br /> đồng bộ thời gian được thực hiện thông qua GPS đã tích hợp hoặc sử dụng giao<br /> thức thời gian chính xác thông qua giao diện mạng Precision Time Protocol (PTP)<br /> theo chuẩn IEEE 1588v2, cho phép hệ thống mạng cảm biến N6841 đồng bộ nhiều<br /> cảm biến RF được triển khai trong một khu vực để quét phổ một cách đồng thời -<br /> đây là một yếu tố quan trọng đối với các tín hiệu động phức tạp, phổ tần dày đặc<br /> (trong phạm vi nghiên cứu sử dụng 03 cảm biến). Phép đo đồng thời cũng cung cấp<br /> cơ sở cho kỹ thuật định vị như TDOA và tăng hiệu quả xử lý tín hiệu, phục vụ phát<br /> hiện và định vị rất nhanh đưa lên dữ liệu lập bản đồ.<br /> - Xử lý tín hiệu và truy nhập dữ liệu: Cảm biến RF N6841 có thể được sử dụng<br /> như một máy thu số băng rộng cho phép người dùng phát triển các ứng dụng. Các<br /> chức năng mềm được mở rộng thông qua tham chiếu tới cảm biến RF bằng các<br /> giao diện lập trình ứng dụng mở API. Cảm biến RF N6841 có khả năng phân tích<br /> thành các thành phần của dòng I/Q, FFT phức tạp theo chuỗi thời gian. Tùy theo<br /> cách cấu hình cho phép ruyền tải dữ liệu chế độ khối khi sử dụng mạng băng rộng<br /> hơn (truyền song song dữ liệu I/Q và FFT) hoặc theo dòng với băng hẹp. Phương<br /> pháp này cho phép giải điều chế thời gian thực (trên 30 kiểu điều chế được nhận<br /> dạng bao gồm các tham số đặc trưng của tín hiệu).<br /> Phần mềm máy chủ gồm: Công cụ cấu hình mạng phục vụ cho việc triển khai<br /> và cài đặt hệ thống; Công cụ mô phỏng; Công cụ hoạch định hệ thống với phần<br /> mềm mở cho phép sử dụng các kịch bản triển khai khác nhau, tối ưu độ nhạy và độ<br /> chính xác trong các mô hình kênh và các cấu hình cảm biến khác nhau.<br /> - Tích hợp với phần mềm lập bản đồ tín hiệu N6820E: Để dễ dàng cho giám sát<br /> và phân tích tín hiệu, các cảm biến RF được tích hợp với phần mềm lập bản đồ tín<br /> hiệu N6820E cho phép xây dựng được bản đồ trường điện từ một cách dễ dàng và<br /> linh hoạt. Phần mềm cho phép giám sát tín hiệu rất nhanh bằng cách sử dụng kỹ<br /> thuật đặt ngưỡng cải tiến để tính năng lượng trong phổ RF.<br /> 2.2. Đánh giá khả năng cảm nhận giám sát phổ của mạng CR N6841<br /> Qua nghiên cứu và thử nghiệm cảm biến N6841 cho thấy, mạng cảm biến kết<br /> hợp với phần mềm N6820E cho phép:<br /> - Giám sát phổ dải tần rộng (20 MHz đến 6 GHz) với băng thông IF số 20 MHz.<br /> - Hệ thống sử dụng các kỹ thuật để định vị nguồn tín hiệu hoặc nhiễu ước lượng<br /> định vị nguồn phát vô tuyến: Một là dựa trên sự khác biệt thời gian đến (TDOA);<br /> Hai là tỷ số biên độ cường độ tín hiệu tương đối (RSS); Ba là kỹ thuật lai ghép<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 77<br />  Kỹ thuật điện tử<br /> <br /> thích ứng TDOA/RSS để định vị nguồn phát xạ. Với việc sử dụng dữ liệu của từ 3<br /> tới 5 cảm biến có tích hợp với GPS hoặc mạng Ethernet để đồng bộ thời gian khi<br /> định vị nguồn phát xạ để xây dựng bản đồ phát xạ phổ tần.<br /> - Phần mềm mở tích hợp giao diện API cho phép cấu hình nhiều tính tăng dễ<br /> dàng như hiển thị tương quan tín hiệu và đặc tính truyền dẫn kèm theo bản đồ.<br /> - Công cụ hoạch định hệ thống cho phép triển khai các kịch bản khác nhau; Tối ưu<br /> độ nhạy và độ chính xác sử dụng các mô hình kênh và cấu hình cảm biến khác nhau.<br /> 2.3. Kết quả thử nghiệm<br /> Nhóm thử nghiệm đã triển khai mạng cảm biến N6841 với 3 cảm biến, bố trí ở<br /> 3 khu vực khác nhau và tiến hành phát hiện, phân tích, định vị nguồn phát xạ ở các<br /> dải tần khác nhau. Hình 3 mô tả phát hiện nguồn phát xạ ở tấn số 56 MHz khi giám<br /> sát dải tần (55 ÷ 65) MHz ở các khu vực Mỹ Đình, Ba Đình.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Mật độ phát xạ tần số 56 MHz trên bản đồ giám sát trường<br /> dải tần (55 ÷ 65) MHz khu vực Mỹ Đình và Ba Đình của hai nguồn phát xạ.<br /> Kết quả cho thấy cảm biến RF N6841 của hãng Agilent là các sản phẩm áp<br /> dụng công nghệ SDR, kết hợp với các phần mềm thông minh cho phép cải thiện<br /> đáng kể về cảm nhận phổ tần vô tuyến. Khi kết hợp xây dựng thành giải pháp<br /> E3238S [4] liên kết thành mạng và phần mềm N6820, hệ không chỉ là SDR mà là<br /> mạng CR để tạo thành hệ thống giám sát trường điện từ.<br /> 3. KẾT LUẬN<br /> Qua nghiên cứu và thực nghiệm cho thấy mạng N6841/N6820E có sự cảm nhận<br /> phổ tần khá hiệu quả, có thể cấu hình mạng để phát hiện, định vị, thu nhận và phân<br /> tích những nguồn phát xạ trong trường điện từ khu vực. Kết quả nghiên cứu cho<br /> thấy khả năng ứng dụng CR trong lĩnh vực EMC là khả thi, có triển vọng và là một<br /> cách tiếp cận nhanh cho việc hình thành và phải triển hệ thống giám sát EMC<br /> thông minh tại Việt Nam trong hiện tại và tương lai.<br /> <br /> <br /> <br /> 78 Tr.V.Hải, N.H. Hoàng, “Giám sát trường điện từ …. vô tuyến nhận thức N6841.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. J. Mitola III, “Cognitive Radio an Integrated Agent Architecture for Software<br /> Defined Radio Dissertation”, Royal Institute of Technology, May 8, 2000.<br /> [2]. T. Clancy, “Dynamic Spectrum Access in Cognitive Radio Networks”, PhD<br /> Dissertation, University of Maryland, April 2006.<br /> [3]. Clayton R. Paul, “Introduction to Electromagnetic Compatibility”, John<br /> Wiley and Sons, January 9, 2006<br /> [4]. Agilent, “Task RF Sensor TDOA Measurements from an E3238S Signal<br /> Survey System”. 2011.<br /> [5]. Huseyin Arslan, “Cognitive Radio, Software Defined Radio, and Adaptive<br /> Wireless Systems”, Springer, The Netherlands, (2007).<br /> <br /> ABSTRACT<br /> ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY MONITORING<br /> BASED ON COGNITIVE RADIO SENSING NETWORK<br /> <br /> The cognitive radio (CR) has increasingly attracted researchers<br /> worldwide, it is able to provide smart solutions to user and spectrum access.<br /> The CR spectrum sensing network N6841 has been developed fundamentally<br /> based on the platforms of Software Defined Radios by Agilent. This article<br /> raises the CR N6841 network applications in solving Electromagnetic<br /> Control (EMC) for radio-transceivers.<br /> Keywords: Sensor network, Spectrum monitoring, Cognitive radio, Electromagnetic Compatibility.<br /> <br /> <br /> Nhận bài ngày 21 tháng 07 năm 2015<br /> Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015<br /> Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015<br /> <br /> <br /> 1<br /> Địa chỉ: Viện Điện tử, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự;<br /> 2<br /> Học viện Kỹ thuật quân sự;<br /> *Email: viethaivdt@gmail.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 79<br />