Báo cáo môn học các mạng thông tin vô tuyến (4)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - - CÁC MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN VÔ TUYẾN KHẢ TRI VÀ PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG CẢM NHẬN PHỔ TẦN Giảng viên: Nguyễn Viết Đảm Sinh viên: Nguyễn Thu Phương Mã sinh viên: B18DCVT327 Ngày nộp: 22/05/2022 Hà Nội_2022 Các mạng thông tin vô tuyến MỤC LỤC MỤC LỤC 1.Trình bày ý tưởng khái niệm vô tuyến khả tri 2.Trình bày tóm tắt mơ hình kiến trúc hệ thống vô tuyến khả tri 3.Trình bày chu trình nhận thức mạng vơ tuyến khả tri CRN 4.Trình bày tóm tắt chức hoạt động hệ thống vơ tuyến khả tri? 10 5.Trình bày tóm tắt kiến trúc vật lý hệ thống vô tuyến khả tri .13 6.Trình bày chu trình nhận thức mạng vô tuyến khả tri CRN 13 Trình bày sơ đồ khối thực vơ tuyến khả tri CR dựa SDR 14 8.Trình bày thành phần vô tuyến khả tri CR để lựa chọn tần số động 16 Nguyễn Thu Phương – B18DCVT327 Các mạng thơng tin vơ tuyến Trình bày ý tưởng khái niệm vô tuyến khả tri Vô tuyến khả tri CR (Congitive Radio) công nghệ mới, nghiên cứu phép đầu cuối vơ tuyến cảm nhận, nhận biết sử dụng linh hoạt phổ tần số vơ tuyến hữu thời điểm định  Ý tưởng Tần số vô tuyến tài nguyên khan hiếm, Mặc dù phổ tần ngày khan hiệu suất sử dụng phổ tần lại thấp Theo Ed Thomas “ Nếu xét tồn giải tần số vơ tuyến từ đến 100 GHz quan trắc thời gian khơng gian cụ thể, có từ 5% đến 10% lượng phổ tần sử dụng” Như vậy, 90% tài ngun phổ tần vơ tuyến bị lãng phí, không sử dụng triệt để Do yêu cầu thiết đặt sử dụng hết, sử dụng hiệu sử dụng triệt để tài nguyên khan Vô tuyến khả tri giải vấn đề Hình 1: Minh họa chiếm dụng phổ  Khái niệm: Vơ tuyến khả tri nhìn nhận theo nhiều cách khác nhau, thường coi vơ tuyến nhận biết đượng mơi trường xung quanh thích ứng cách khả tri”, nghĩa vô tuyến khả tri thiết Nguyễn Thu Phương – B18DCVT327 Các mạng thông tin vô tuyến bị vơ tuyến linh hoạt có khả nhận thức (khả tri), thích ứng tham số theo thay đổi mơi trường, theo u cầu người dùng yêu cầu người dùng vô tuyến khác chia sẻ môi trường phổ Trình bày tóm tắt mơ hình kiến trúc hệ thống vơ tuyến khả tri Hình 2: Minh họa kiến trúc mạng vô tuyến khả tri CDN Các thành phần kiến trúc mạng vô tuyến khả tri minh họa hình 2, tồn hai nhóm mạng là: mạng sơ cấp (primary network) mạng khả tri Các thành phần hai nhóm mạng xác định sau:  Mạng sơ cấp (Primary network): Hạ tầng mạng hành thường gọi mạng sơ cấp, mạng cấp phép (có quyền) truy nhập vào băng tần định như: mạng TV quảng bá, mạng tế bào,.v,v Các thành phần mạng sơ cấp gồm:  Người dùng sơ cấp (Primary user): Người dùng sơ cấp PU (người dùng cấp phép) cấp phép để hoạt động băng tần định Truy nhập giám sát trạm gốc sơ cấp không bị ảnh hưởng Nguyễn Thu Phương – B18DCVT327 Các mạng thông tin vô tuyến      hoạt động người dùng không cấp phép Mặc dù, tồn với trạm gốc vô tuyến khả tri người dùng vô tuyến khả tri SU/CU, người dùng sơ cấp PU không cần phải điều chỉnh bổ sung chức Trạm gốc sơ cấp (Primary base-station): Trạm gốc sơ cấp (trạm gốc cấp phép) thành phần sở hạ tầng mạng cố định, có giấy phép phổ, BTS mạng tế bào Về nguyên tắc, trạm gốc sơ cấp không thiết phải chia sẻ phổ với người dùng vô tuyến khả tri SU/CU Mạng vô tuyến khả tri: Mạng vô tuyến khả tri CRN (mạng xG, mạng truy nhập phổ tần động, mạng thứ cấp, mạng không cấp phép) khơng có giấy phép để hoạt động băng mong muốn Do đó, phép truy nhập phổ có hội Các mạng vơ tuyến khả tri CRN sử dụng mạng hạ tầng sở mạng ad hoc (hình 2) Các thành phần CRN gồm: Người dùng vô tuyến khả tri: Người dùng vô tuyến khả tri SU/CU (người dùng xG, người dùng không cấp phép, người dùng thứ cấp) khơng có giấy phép sử dụng phổ Do đó, phải bổ sung chức để chia sẻ băng phổ cấp phép Trạm gốc vô tuyến khả tri: Trạm gốc vô tuyến khả tri (trạm gốc xG, trạm gốc không cấp phép, trạm gốc thứ cấp) thành phần sở hạ tầng cố định với khả vô tuyến khả tri Khi có hội, trạm gốc vơ tuyến khả tri cung cấp kết nối đơn chặng tới người dùng vô tuyến khả tri SU/CU mà không cần giấy phép truy nhập phổ Thông qua kết nối này, người dùng vơ tuyến khả tri truy nhập đến mạng khác Bộ phân chia phổ: Bộ phân chia phổ (server lập lịch) thực thể mạng trung tâm đóng vai trị việc chia sẻ tài ngun phổ tần mạng vô tuyến khả tri khác Bộ phân chia phổ kết nối với mạng với tư cách quản ly thông tin phổ nhằm cho phép CRN đồng hoạt động với mạng sơ cấp khác Hình minh họa kiến trúc mạng vơ tuyến khả tri Trong đó, mạng vơ tuyến khả tri bao gồm nhiều loại mạng khác nhau: mạng sơ cấp, mạng vô tuyến khả tri dựa sở hạ tầng, mạng vô tuyến khả tri ad hoc Các mạng vô tuyến khả tri hoạt động môi trường phổ hỗn hợp, bao gồm băng cấp phép khơng cấp phép Do đó, mạng vô tuyến khả tri, tồn ba loại truy nhập là: Nguyễn Thu Phương – B18DCVT327 Các mạng thông tin vô tuyến + Truy nhập mạng vô tuyến khả tri (xG network access): Người dùng vô tuyến khả tri SU/CU truy nhập vào trạm gốc vô tuyến khả tri băng cấp phép không cấp phép + Truy nhập mạng vô tuyến khả tri ad hoc (xG ad hoc access): Người dùng vơ tuyến khả tri truyền thơng với người dùng vô tuyến khả tri khác thông qua kết nối ad hoc băng cấp phép không cấp phép + Truy nhập mạng sơ cấp (Primary network access): Người dùng vô tuyến khả tri truy nhâp tới trạm gốc sơ cấp thơng qua băng cấp phép Hình 3: Minh họa, so sánh: vô tuyến thông thường, vô tuyến định nghĩa phần mềm SDR vô tuyến khả tri CR Từ hình cho thấy, vơ tuyến khả tri CR thực hồn tồn dựa thay đổi cấu trúc phần mềm mà thay đổi cấu trúc phần cứng bên hệ thống vô tuyến trước Để triển khai CR từ SDR, cần thêm vào SDR khối xử lí thơng minh chia xẻ phổ tần động (DFS), điều khiển công suất (TPC), IPD Điểm khác biệt chủ yếu CR so với vô tuyến Nguyễn Thu Phương – B18DCVT327 Các mạng thông tin vô tuyến định nghĩa phần mềm SDR khả khả tri (khẳ nhận thức), tự động thích ứng nhanh với thay đổi mơi trường vơ tuyến  Vơ tuyến khả tri CR có khả tự cấu hình, tức thích ứng với điều kiện mơi trường mà khơng cần cấu hình trước Hình 4: Sơ đồ khối thực vô tuyến khả tri CR dựa SDR Trong máy phát hình Bộ tổng hợp thích ứng tạo sóng mang, thực điều chế biến đổi nâng tần Module máy phát cần thông tin từ khối IPD như: biểu đồ định vị tần số sóng mang thời, cơng suất phát (để xác định mức công suất phát, giảm thiểu nhiễu) Cổng định thời, định thời việc chiếm dụng phổ trống phát tín hiệu Kiến trúc phân lớp cho sơ đồ vơ tuyến khả tri CR hình minh họa hình 5, tập chung vào vật lí liên kết liệu Nguyễn Thu Phương – B18DCVT327 Các mạng thơng tin vơ tuyến Hình 5: Kiến trúc phân lớp tổng quát cho vô tuyến khả tri Quét phổ (Spectrum scanning) chức quan trọng lớp vật lý vô tuyến khả tri Ở đây, tất vùng phổ toàn băng tần hoạt động quét Việc quét phổ phục vụ cho cảm nhận, phân tích, quản lý, chia xẻ, phổ tần môi trường phổ tần động Đo kênh (Channel measurement) để xác định chất lượng kênh quét, chia sẻ với nhiều người dùng sơ cấp Các thông số kênh (công suất phát, tốc độ bít, ) phải xác định dựa kết đo lường kênh Vô tuyến khả tri phải có khả hoạt động tốc độ truyền liệu, dạng điều chế, mã kênh, mức công suất khác Kỹ thuật MIMO sử dụng để triệt nhiễu không gian tăng thông lượng thông qua việc ghép kênh Kĩ thuật OFDM sử dụng để nâng cao hiệu băng tần hiệu Các chức khác lớp vật lý, TPC IPD, đề cập ngắn gọn Nguyễn Thu Phương – B18DCVT327 Các mạng thông tin vô tuyến Lớp liên kết liệu gồm ba khối chính: giao thức quản lý nhóm, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC), giao thức quản lý kết nối Giao thức quản lí nhóm dùng để phối hợp người dùng thứ cấp nhóm Giao thức liên kết liệu sử dụng để lựa chọn kênh phù hợp để tạo kết nối truyền thông Giao thức MAC hoạt động dựa thông tin từ lớp vật lý “quét phổ” “IPD” Giao thức MAC định cách thức truy nhập vào kênh, phụ thuộc vào kiểu kênh chia sẻ hoạt động người dùng sơ cấp SU/CU Lớp hội tụ (Convergence Sublayer) lớp liên kết liệu cung cấp kĩ thuật phối hợp CR để hoạt động môi trường không dây khác nhau, WWAN, WLAN, WPAN, Trình bày chu trình nhận thức mạng vơ tuyến khả tri CRN Chu trình nhận thức CR :Ta tóm tắt ba bước chu trình thơng minh: cảm nhận phổ, phân tích phổ định phổ sau: Cảm nhận phổ: Vô tuyến khả tri giám sát băng phổ khả dụng, nắm bắt thông tin chúng sau phát hố phổ Phân tích phổ: Các đặc tính hố phổ có thơng qua cảm nhận phổ ước tính Quyết định phổ: Vơ tuyến khả tri định tốc độ liệu, chế độ truyền băng tần truyền Sau đó, băng phổ phù hợp chọn thơng qua đặc tính phổ yêu cầu người dùng Nguyễn Thu Phương – B18DCVT327 Các mạng thơng tin vơ tuyến Hình 2: Chu trình nhận thức Một băng phổ hoạt động định, việc truyền thơng thực qua băng phổ Tuy nhiên, mơi trường vô tuyến thay đổi theo thời gian không gian, nên vô tuyến khả tri phải theo dõi thay đổi môi trường vô tuyến Nếu băng phổ sử dụng trở nên rỗi, chức dịch chuyển phổ, thực để cung cấp việc truyền liên tục Bất kì thay đổi mơi trường suốt trình truyền xuất người dùng sơ cấp, hoạt động người dùng biến đổi lưu lượng phải điều chỉnh kịp thời Trình bày tóm tắt chức hoạt động hệ thống vô tuyến khả tri?  Chức hệ thống vô tuyến khả tri:  Cảm nhận phổ: Phát phổ tần không sử dụng chia sẻ phổ mà không gây nhiễu tới người dùng khác  Quản lí phổ: Chiếm giữ phần phổ tần khả dụng để đáp ứng yêu cầu truyền thông người dùng  Dịch chuyển phổ: Bảo đảm yêu cầu truyền thông không bị ngắt quãng lúc chuyển tới phổ tần tốt  Chia sẻ phổ: Cung cấp phương pháp lập lịch phổ tần hợp lí nhiều người dùng khả tri SU/CU tồn  Các chức CRN cho phép giao thức truyền thông nhận biết phổ Tuy nhiên, sử dụng phổ tần động gây bất lợi đến hiệu giao thức truyền thông truyền thống (đã triển khai băng tần số cố định) Nguyễn Thu Phương – B18DCVT327 10 Các mạng thông tin vô tuyến  Hoạt động hệ thống vô tuyến khả tri:  Trên băng cấp phép: Mạng vô tuyến khả tri hoạt động băng cấp phép minh họa hình 6, CRN tồn với mạng sơ cấp vị trí băng phổ Tồn nhiều thách thức thực CRN băng cấp phép tồn người dùng sơ cấp PU Mặc dù, mục đích CRN xác định phổ tần khả dụng, chức CR băng cấp phép lại bao gồm phát hữu người dùng sơ cấp PU Hình 7: Mạng vơ tuyến khả tri hoạt động băng cấp phép Dung lượng kênh hố phổ phụ thuộc vào nhiễu xung quanh người dùng sơ cấp PU Do đó, việc tránh nhiễu lên PU vấn đề quan trọng kiến trúc Hơn nữa, PU xuất băng phổ bị người dùng vô tuyến khả tri chiếm, người dùng vơ tuyến khả tri phải hoàn trả lại phổ chuyển tới phổ khả dụng khác (chuyển giao phổ)  Trên băng không cấp phép: Nguyễn Thu Phương – B18DCVT327 11 Các mạng thơng tin vơ tuyến Hình 8: Mạng vơ tuyến khả tri hoạt động băng khơng cấp phép Hình minh họa mạng vô tuyến khả tri CRN hoạt động băng không cấp phép Tất thực thể mạng có quyền truy nhập tới băng phổ Nhiều CRN tồn vùng giống truyền thông sử dụng phần phổ Các thuật toán chia sẻ phổ khả tri cải thiện hiệu sử dụng phổ hỗ trợ QoS cao Trong kiến trúc này, người dùng vô tuyến khả tri tập trung vào phát việc truyền người dùng vô tuyến khả tri khác Khác với hoạt động băng cấp phép, việc chuyển giao phổ khơng kích hoạt có mặt người dùng sơ cấp khác Tuy nhiên, tất người dùng vơ tuyến khả tri có quyền truy nhập phổ nhau, nên họ phải cạnh tranh với băng khơng cấp phép Do đó, kiến trúc địi hỏi phương pháp chia sẻ phổ phức tạp người dùng vô tuyến khả tri Nếu nhiều mạng vô tuyến khả tri nằm băng không cấp phép phải có phương pháp chia sẻ phổ phù hợp mạng Nguyễn Thu Phương – B18DCVT327 12 Các mạng thông tin vô tuyến Trình bày tóm tắt kiến trúc vật lý hệ thống vơ tuyến khả tri Thành phần máy thu/phát CR đầu cuối vô tuyến RF (RF frontend) khối xử lí băng gốc Mỗi thành phần tự cấu hình thơng qua bus điều khiển để thích ứng với mơi trường RF biến đổi theo thời gian Trong đầu cuối RF, tín hiệu thu được khuếch đại, trộn chuyển đổi A/D Trong khối xử lí băng gốc, tín hiệu điều chế/giải điều chế, mã hóa/giải mã Khối xử lí băng gốc CR chất tương tự máy thu/phát thời Điểm máy thu phát CR khả cảm nhận phổ băng rộng đầu cuối RF Phần cứng RF cho CR có khả điều chỉnh băng dải phổ tần rộng Các thành phần đầu cuối RF CR là: Bộ lọc RF; Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA); Bộ trộn; Bộ dao động điều khiển điện áp (VCO); Vịng khóa pha (PLL); Bộ lọc lựa chọn kênh; Mạch tự động điều chỉnh độ lợi (AGC) Trong kiến trúc này, tín hiệu băng rộng nhận thông qua đầu cuối RF, lấy mẫu chuyển đổi tương tự-số (A/D) tốc độ cao, việc đo đạc thực để phát tín hiệu người dùng cấp phép Đầu cuối RF phải có khả phát tín hiệu yếu dải tần số động Trình bày chu trình nhận thức mạng vơ tuyến khả tri CRN Khả nhận thức cho phép vô tuyến khả tri tương thích thời gian thực với thay đổi môi trường để xác định thông số truyền thích hợp thích ứng với mơi trường vơ tuyến động Ba bước chu trình thơng minh: cảm nhận phổ, phân tích phổ định phổ sau: Cảm nhận phổ: Vô tuyến khả tri giám sát băng phổ khả dụng, nắm bắt thơng tin chúng sau phát hố phổ Nguyễn Thu Phương – B18DCVT327 13 Các mạng thơng tin vơ tuyến Phân tích phổ: Các đặc tính hố phổ có thơng qua cảm nhận phổ ước tính Quyết định phổ: Vô tuyến khả tri định tốc độ liệu, chế độ truyền băng tần truyền Sau đó, băng phổ phù hợp chọn thông qua đặc tính phổ u cầu người dùng Hình 8: Chu trình nhận thức Trình bày sơ đồ khối thực vô tuyến khả tri CR dựa SDR Nguyễn Thu Phương – B18DCVT327 14 Các mạng thông tin vơ tuyến Hình 9: Sơ đồ khối thực vô tuyến khả tri CR dựa SDR Anten băng rộng, cổng vào vô tuyến khả tri hoạt động băng tần vơ RF, có khả qt băng tần rộng phù hợp với thay đổi môi trường phổ Băng tần tổng anten băng rộng ∑𝑁 𝑖=1 ∆𝑓𝑖 , gồm N băng con, băng gán cho SDR định Bộ ghép song cơng cho phép phân phân tách tín hiệu thu/phát RF Khối lựa chọn tần số động DFS cho phép CR lựa chọn linh hoạt phổ tần môi trường phổ tần động, giảm thiểu nhiễu Các khối SDR hoạt động đồng thời, khối đảm nhiệm phần băng tần tổng => làm gia tăng tính linh hoạt xử lý liệu tận dụng hiệu tài nguyên vô tuyến CR mơi trường phổ tần động Bộ tổng hợp thích ứng tạo sóng mang, thực điều chế biến đổi nâng tần Module máy phát cần thông tin từ khối IPD như: biểu đồ định vị tần số sóng mang thời, cơng suất phát (để xác định mức công suất phát, giảm thiểu nhiễu) Cổng định thời, định thời việc chiếm dụng phổ trống phát tín hiệu  Tất liệu đầu sau hợp lại thành khối, khối có nhiệm vụ đưa định thơng minh bao gồm việc lựa chọn kết hợp thông tin phát được, để đạt thông tin đầu thực muốn Nguyễn Thu Phương – B18DCVT327 15 Các mạng thông tin vô tuyến Trình bày thành phần vơ tuyến khả tri CR để lựa chọn tần số động Hình 10: Các thành phần vơ tuyến khả tri để lựa chọn tần số động Khối thu thập liệu phổ (khối 1): Đây trình lấy mẫu kênh để xác định kênh trống, kênh sử dụng Một vài thông số liên quan trình độ nhạy máy thu, thời gian lấy mẫu khoảng lấy mẫu, mức ngưỡng để tách tạp âm băng rộng khỏi tín hiệu Khối chức phân tích liệu (khối 2): đánh giá, phân tích liệu phổ đưa định tính khả dụng kênh Q trình phát bao gồm việc phân loại liệu, sử dụng thông tin thu thập để xác định kênh có sử dụng dịch vụ hay hệ thống truyền thông khác; việc thông tin với tập node lân cận đầu kết nối kênh rỗi, đầu kết nối kênh lại khơng cịn rỗi Đối với số phân hệ di động, việc thơng tin yêu cầu dùng kênh hoa tiêu băng hẹp Nguyễn Thu Phương – B18DCVT327 16 Các mạng thông tin vô tuyến Tại ví trí thời điểm xác định, khối chức thứ ba thực việc xác định dạng sóng tần số động để sử dụng Điều dẫn tới cần phải có khối thích ứng với thay đổi mạng (Khối 4) Nguyễn Thu Phương – B18DCVT327 17 ... trúc mạng vơ tuyến khả tri Trong đó, mạng vơ tuyến khả tri bao gồm nhiều loại mạng khác nhau: mạng sơ cấp, mạng vô tuyến khả tri dựa sở hạ tầng, mạng vô tuyến khả tri ad hoc Các mạng vô tuyến. .. Do đó, mạng vô tuyến khả tri, tồn ba loại truy nhập là: Nguyễn Thu Phương – B18DCVT327 Các mạng thông tin vô tuyến + Truy nhập mạng vô tuyến khả tri (xG network access): Người dùng vô tuyến khả... B18DCVT327 10 Các mạng thông tin vô tuyến  Hoạt động hệ thống vô tuyến khả tri:  Trên băng cấp phép: Mạng vô tuyến khả tri hoạt động băng cấp phép minh họa hình 6, CRN tồn với mạng sơ cấp vị