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

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