Báo cáo môn học các mạng thông tin vô tuyến (5)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG I - - MÔN HỌC CÁC MẠNG THÔNG TIN VƠ TUYẾN Đề tài : “Vơ tuyến khả tri phân tích hiệu cảm nhận phổ tần” Giảng viên: THẦY NGUYỄN VIẾT ĐẢM Họ tên: Hà Long Quyền Lớp : D18CQVT05-B Mã sinh viên: B18DCVT341 STT: 56 Hà Nội, tháng 5/2022 Mục lục A Vô tuyến khả tri Câu 1: Trình bày ý tưởng khái niệm vô tuyến khả tri ? Câu 2: Trình bày chu trình nhận thức mạng vô tuyến khả tri CRN Câu 3: Trình bày tóm tắt mơ hình kiên trúc hệ thống vô tuyến khả tri Câu 4: Trình bày tóm tắt chức hoạt động hệ thống vô tuyến khả tri Câu 5: Trình bày tóm tắt kiến trúc vật lý hệ thống vô tuyến khả tri Câu 6: Trình bày sơ đồ khối thực vô tuyến khả tri CR dựa SDR 11 Câu : Trình bày thành phần vô tuyến khả tri CR để lựa chọn tần số động 13 B Phân tích hiệu kỹ thuật cảm nhận phổ tần dựa vào phát quán, phát lượng, phát đặc trưng mạng vô tuyến khả tri đơn băng SB-CRN 14 I Các kĩ thuật cảm nhận phổ tần đơn băng 14 II Phát quán 14 Phát lượng 15 Phát đặc trưng 15 Hiệu kĩ thuật cảm nhận phổ tần 16 2|Page A Vơ tuyến khả tri Câu 1: 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 nguyên phổ tần vô tuyến bị lãng phí, khơng 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 ❖ Khái niệm Định nghĩa “vơ tuyến khả tri” nhìn nhận theo nhiều cách khác Vô tuyến khả tri thường coi “…một vơ tuyến nhận biết mơi trường xung quanh thích ứng cách khả tri”, nghĩa vô tuyến khả tri thiết 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 3|Page Câu 2: 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: Vô 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 Một băng phổ hoạt động định, việc truyền thơng thực qua băng phổ Tuy nhiên, mơi trường vơ 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 4|Page Câu 3: Trình bày tóm tắt mơ hình kiên trúc hệ thống vơ tuyến khả tri Mơ hình kiến trúc hệ thống vô tuyến khả tri : Kiến trúc vô tuyến khả tri (CR) dựa sở kiến trúc vơ tuyến định nghĩa phần mềm (SDR) Có thể thực hoàn toàn dựa thay đổi cấu trúc phần mềm mà thay đổi cấu trúc phần cứng Để triển khai CR từ SDR, cần thêm vào SDR khối xử lí thông minh chia xẻ phổ tần động (DFS), điều khiển công suất (TPC), IPD Điểm khác biệt chủ yếu CR so với vô tuyến định nghĩa phần mềm SDR khả khả tri (khả nhận thức), tự động thích ứng nhanh với thay đổi môi trường vô tuyến Trong SDR thay đổi định theo mơi trường phạm vi tập lựa chọn cấu hình sẵn qua phần mềm, vơ tuyến khả tri CR có khả tự cấu hình, tức thích ứng với điều kiện mơi trường mà khơng cần cấu hình trước Như vậy, vơ tuyến khả tri CR thích ứng với mơi trường phổ, SDR lại thích ứng với mơi trường mạng, chúng có phần chồng lên chức 5|Page Câu 4: Trình bày tóm tắt chức hoạt động hệ thống vô tuyến khả tri ❖ Chức Vơ tuyến khả tri (CR) có khả chiếm dụng chia sẻ phổ theo hội môi trường phổ tần động Công nghệ truy nhập phổ tần động cho phép CR hoạt động kênh khả dụng Đặc biệt, công nghệ CR cho phép: (i) Xác định phần phổ tần khả dụng phát hoạt động (sự tồn tại) PU (cảm nhận phổ tần); (ii) Lựa chọn, chiếm dụng kênh khả dụng (quản lí phổ); (iii) Đồng truy nhập vào kênh với người dùng khác (chia sẻ phổ); (iv) Hoàn trả kênh phát người dùng cấp phép PU (dịch chuyển phổ) → Tóm lại chức 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 u cầu truyền thơng 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) ❖ Hoạt động Mạng vơ tuyến khả tri (CRN) hoạt động băng cấp phép không cấp phép Do đó, chức thiết yếu CRN khác tùy theo phổ cấp phép hay không  Trên băng cấp phép : Tồn hố phổ băng phổ cấp phép Do đó, mạng vơ tuyến khả tri CRN để khai thác hố phổ thông qua công nghệ khả tri 6|Page Mạng vô tuyến khả tri hoạt động băng cấp phép minh họa, 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 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 vơ tuyến khả tri chiếm, người dùng vơ tuyến khả tri phải hồn trả lại phổ chuyển tới phổ khả dụng khác (chuyển giao phổ)  Trên 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 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 7|Page 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 đòi hỏi phương pháp chia sẻ phổ phức tạp người dùng vô tuyến khả tri Nếu nhiều mạng vô tuyến khả tri nằm băng khơng cấp phép phải có phương pháp chia sẻ phổ phù hợp mạng 8|Page Câu 5: 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 front-end) khối xử lí băng gốc 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 Tuy nhiên, điểm vô tuyến khả tri đầu cuối RF Điểm máy thu phát CR khả cảm nhận phổ băng rộng đầu cuối RF Chức liên quan tới công nghệ phần cứng RF anten băng rộng, khuếch đại cơng suất, lọc thích ứng Phần cứng RF cho CR có khả điều chỉnh băng dải phổ tần rộng Cảm nhận phổ cho phép việc đo lường thời gian thực thông tin phổ từ môi trường vô tuyến ❖ Các thành phần đầu cuối RF CR là: + Bộ lọc RF: Bộ lọc RF lựa chọn băng mong muốn cách bỏ qua việc lọc tín hiệu RF nhận 9|Page + Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA): LNA khuếch đại tín hiệu mong muốn đồng thời giảm thiểu thành phần tạp âm + Bộ trộn: tín hiệu thu trộn với tần số RF nội, chuyển đổi thành tần số băng gốc tần số trung tần (IF) + Bộ dao động điều khiển điện áp (VCO): VCO tái tạo tín hiệu tần sốnhất định với điện áp cho trước để trộn với tín hiệu tới Q trình chuyển đổi tín hiệu tới thành tần số băng gốc tần số trung tần + Vòng khóa pha (PLL): PLL đảm bảo tín hiệu khóa tần số định vưới VCO tạo tần số xác + Bộ lọc lựa chọn kênh: Bộ lọc lựa chọn kênh để lựa chọn kênh mong muốn loại bỏ kênh lân cận Có hai loại lọc lựa chọn kênh Máy thu chuyển đổi trực tiếp sử dụng lọc thông thấp để lựa chọn kênh, máy thu superheterodyne lại sử dụng lọc thông dải + Mạch tự động điều chỉnh độ lợi (AGC): AGC trì độ lợi mức công suất đầu khuếch đại không đổi dải rộng mức công suất đầu vào → 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 Tuy nhiên, tồn nhiều thách thức/hạn chế việc thực đầu cuối vô tuyến khả tri Anten RF băng rộng thu nhận tín hiệu từ máy phát mức công suất, băng tần vị trí khác Hệ là, đầu cuối RF phải có khả phát tín hiệu yếu dải tần số động Khả cần có chuyển đổi A/D tốc độ cao (vài GHz) với độ phân giải cao Thách thức chủ yếu kiến trúc vật lí vơ tuyến khả tri phát xác tín hiệu yếu người dùng cấp phép qua dải phổ rộng động Do vậy, việc thực đầu cuối RF băng rộng chuyển đổi A/D vấn đề hàng đầu CRN 10 | P a g e Câu 6: Trình bày sơ đồ khối thực vô tuyến khả tri CR dựa SDR 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 định nghĩa phần mềm SDR khả khả tri (khả nhận thức), tự động thích ứng nhanh với thay đổi môi trường vô tuyến Anten băng rộng, cổng vào vô tuyến khả tri hoạt động băng tần vơ RF, có khả quét băng tần rộng phù hợp với thay đổi môi trường phổ Bộ ghép song công 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 Việc nhiều SDR đồng hoạt động (thay sử dụng SDR), làm gia tăng tính linh hoạt xử lý liệu tận dụng hiệu tài nguyên vô tuyến CR môi trường phổ tần động Tất liệu đầu sau hợp lại thành khối, khối có nhiệm vụ đưa định thơng minh 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 11 | P a g e sóng mang thời, cơng suất phát (để xác định mức công suất phát, giảm thiểu nhiễu) IPD khả để phát người dùng sơ cấp dựa thông tin phổ đặc biệt Phát lịch sử chiếm dụng tài ngun vơ tuyến (IPD) có đặc tính bản: nhận biết tần số, kênh khơng sử dụng sử dụng; Cổng định thời, định thời việc chiếm dụng phổ trống phát tín hiệu Điều khiển cơng suất phát (TPC): cho phép thiết lập cơng suất phát cách thích ứng dựa thay đổi môi trường phổ 12 | P a g e Câu : Trình bày thành phần vô tuyến khả tri CR để lựa chọn tần số động Khối thu thập liệu phổ (khối 1): Lựa chọn tần số động yêu cầu khả cảm nhận băng rộng, thời gian thực mơi trường phổ Đây q 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 dữliệu, sử dụng thơng tin thu thập để xác định kênh có sử dụng dịch vụ hay hệ thống truyền thơng khác Q trình phát bao gồm 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 u cầu dùng kênh hoa tiêu băng hẹp Khối đáp ứng ( khối ) : Định hình đáp ứng với mơi trường phổ ( chọn tần số dạng sóng thích hợp để sử dụng ) Điều dẫn tới cần phải có khối thích ứng với thay đổi mạng (Khối 4) Khối thích ứng ( khối 4) : Chuyển mạng tới băng tần chọn 13 | P a g e B Phân tích hiệu kỹ thuật cảm nhận phổ tần dựa vào phát quán, phát lượng, phát đặc trưng mạng vô tuyến khả tri đơn băng SB-CRN I Các kĩ thuật cảm nhận phổ tần đơn băng Bài toán cảm nhận phổ tần mô tả thử nghiệm giả thuyết nhị phân sau: v tập âm Gaussian trắng cộng trung bình khơng (AWGN) với phương sai 𝜎 I , I ma trận đơn vị 𝐻0 𝑣à 𝐻1 thể diện không diện PU Điển hình, để định hai giả thuyết, ta so sánh kiểm nghiệm thống kê với ngưỡng tiền định  sau: Trong T(y) kiểm nghiệm thống kê (thường kiểm nghiệm tỉ lệ khả giống likelihood LRT Phát quán Khi SU biết xác cấu trúc tín hiệu PU (độ rộng băng tần, tần số hoạt động, loại điều chế, ), lấy tương quan tín hiệu thu với biết tín hiệu PU minh họa hình Kiểm nghiệm thống kê cho : T(y) = R[𝑥 𝐻 𝑦] Trong : R : phép lấy phần thực; ()𝐻 phép lấy chuyển vị liên hợp phức 14 | P a g e Phát lượng Khi SU khơng có thơng tin tín hiệu phát PU, phát lượng sử dụng Nó thường tính lượng tín hiệu thu cửa sổ thời gian minh họa hình Kiểm nghiệm thống kê cho phát lượng biểu diễn là: Phát đặc trưng Trong hệ thống truyền thông vô tuyến thực tế, tín hiệu phát chứa số đặc trưng để hỗ trợ máy thu tách tín hiệu Các đặc trưng phát từ thơng kê bậc hai 𝑇(𝑦) = 𝐸[𝑦 𝐻 𝑦] Trong E[.] phép lấy kỳ vọng Nếu tín hiệu PU có thuộc tính thống kê tuần hồn, thay dùng mật độ phổ công suất PSD, ta dùng mật độ phổ tuần hồn CSD (mật độ phổ có tính tuần hồn) Bộ phát giải tốn coi phát dừng tuần hoàn (cyclostationarity detector) Các phát khác khai thác cấu trúc giá trị riêng ma trận đồng phương sai tín hiệu PU Ví dụ, ma trận đồng phương sai tín hiệu phát tạp âm khác Tương tự, kiểm nghiệm thống 15 | P a g e kê tỉ lệ giá trị riêng cực đại cực tiểu ma trận đồng phương sai tínhiệu PU khơng cần đến thơng tin tín hiệu PU II Hiệu kĩ thuật cảm nhận phổ tần Đối với CR đơn băng, PD xác suất mà SU phát xác PU chiếm dụng phổ PD biểu diễn : 𝑃𝐷 = Pr(𝑇(𝑦)) > |𝐻1 ) (1) Mặt khác, PFA xác suất mà SU định sai diện PU chúng trạng thái rỗi, biểu diễn : 𝑃𝐹𝐴 = Pr(𝑇(𝑦)) > |𝐻0 ) (2) Ta mong muốn có xác suất phát cao xác suất cảnh báo nhầm nhỏ Trước hết giảm thiểu nhiễu PU, sau cải thiện thơng lượng SU Tuy nhiên, thường thấy dung hịa chúng Ví dụ, SU có đầy đủ thơng tin tín hiệu phát PU, x tất định, ta có : 𝐻0 : 𝑇(𝑦) 𝑙à 𝑁(0, ||𝑥||2 𝜎 𝐻1 : 𝑇(𝑦) 𝑙à 𝑁(||𝑥||2 , ||𝑥||2 𝜎 Theo hướng tính tốn (1) (2) ta có : Từ (3) (4) ta có : 𝑃𝐷 = 𝑄(𝑄−1 (𝑃𝐹𝐴 ) − √𝑁𝛾 ) Trong đó,𝛾 = |𝑥|2 𝜎2 SNR Q(.) hàm phân bố bù (CDF) Gausian chuẩn, 𝑄−1 ( )− hàm ngược Mặt khác, SU khơng có thông tin tiền định x, ta giả định x~N(0,𝜎 𝐼) dùng phát lượng Vì : 16 | P a g e → Từ phương trình (**) ta thấy xác suất phát 𝑃𝐷 hàm xác suất cảnh báo nhầm 𝑃𝐹𝐴 Ta thực tính tốn thử nghiệm theo (**) : SNR = 15dB 17 | P a g e → Kết thực tính tốn thử nghiệm theo công thức (**) Minh họa hiệu ba phát hiện: phát quán, phát lượng, phát đặc trưng khai thác thống kê bậc hai tín hiệu OFDM hai kịch khác Kịch thứ nhất, SU có thơng tin số ký hiệu hữu hiệu khối OFDM Kịch thứ hai, có thêm thông tin thời gian tiền tố CP Với giả thiêt rằng, SNR = 15 dB, số khối quan trắc N = 500 18 | P a g e → Nhận xét : + Hiệu phát qn tốt giả thiết SU có đủ thông tin x + Bộ phát đặc trưng có hiệu vượt trội khai thác nhiều đặc trưng thời gian CP + Bộ phát lượng có hiệu vùng SNR thấp, thể tín hiệu PU nhỏ máy thu SU cần phát xác chúng, phải trang bị phát thực phát tốt điều kiện SNR thấp 19 | P a g e ... tri” nhìn nhận theo nhiều cách khác Vơ tuyến khả tri thường coi “…một vô tuyến nhận biết mơi trường xung quanh thích ứng cách khả tri”, nghĩa vơ tuyến khả tri thiết bị vô tuyến linh hoạt có khả... băng phổ cấp phép Do đó, mạng vơ tuyến khả tri CRN để khai thác hố phổ thông qua công nghệ khả tri 6|Page Mạng vô tuyến khả tri hoạt động băng cấp phép minh họa, CRN tồn với mạng sơ cấp vị trí băng... bày tóm tắt mơ hình kiên trúc hệ thống vơ tuyến khả tri Mơ hình kiến trúc hệ thống vơ tuyến khả tri : Kiến trúc vô tuyến khả tri (CR) dựa sở kiến trúc vô tuyến định nghĩa phần mềm (SDR) Có thể thực