Báo cáo môn học các mạng thông tin vô tuyến (10)

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THƠNG  BÀI TẬP HỌC PHẦN CÁC MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN MẠNG VÔ TUYẾN KHẢ TRI Giảng viên: Nguyễn Viết Đảm Sinh viên: Đoàn Đức Tình Mã sinh viên: B18DCVT362 Nhóm mơn học: 03 Ngày nộp: 22/05/2022 Hà Nội - 2022 Mạng vô tuyến khả tri MỤC LỤC MỤC LỤC CÁC MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN NỘI DUNG: MẠNG VÔ TUYẾN KHẢ TRI I Mục tiêu II Nội dung Câu Trình bày ý tưởng khái niệm vơ tuyến khả tri? Câu Trình bày tóm tắt mơ hình kiến trúc hệ thống vô tuyến khả tri? Câu Trình bày tóm tắt chức hoạt động hệ thống vô tuyến khả tri? Câu Trình bày tóm tắt kiến trúc vật lý hệ thống vô tuyến khả tri? Câu Trình bày chu trình nhận thức mạng vơ tuyến khả tri CRN? 11 Câu Trình bày sơ đồ khối thực vô tuyến khả tri CR dựa SDR? 12 Câu Trình bày sơ đồ khối thực vô tuyến khả tri CR dựa SDR? 13 Đồn Đức Tình – B18DCVT362 Trang Mạng vơ tuyến khả tri CÁC MẠNG THƠNG TIN VÔ TUYẾN NỘI DUNG: MẠNG VÔ TUYẾN KHẢ TRI I Mục tiêu  Trình bày ý tưởng khái niệm vơ tuyến khả tri?  Trình bày tóm tắt mơ hình kiến trúc hệ thống vơ tuyến khả tri?  Trình bày tóm tắt chức hoạt động hệ thống vơ tuyến khả tri?  Trình bày tóm tắt kiến trúc vật lý hệ thống vơ tuyến khả tri?  Trình bày chu trình nhận thức mạng vơ tuyến khả tri CRN?  Trình bày sơ đồ khối thực vô tuyến khả tri CR dựa SDR?  Trình bày thành phần vô tuyến khả tri CR để lựa chọn tần số động? II Nội dung Câu Trình bày ý tưởng khái niệm vô tuyến khả tri? a Ý tưởng Theo báo cáo đo đạc thực địa nhiều nhóm nghiên cứu giới Việt Nam, ví dụ Châu Âu, Mỹ, Đức, Anh, Nhật Bản, v.v… mức độ chiếm dụng tần số theo thời gian địa điểm luôn nhỏ 50% ngoại trừ phổ tần số dành cho thông tin di động dành cho quảng bá (Tivi FM radio) Gần nhà khoa học định nghĩa khoảng tần số không sử dụng khoảng trắng hay hố phổ Việc sử dụng lỗ phổ khó khăn chỗ hố phổ khơng cố định mà thay đổi liên tục ứng với thay đổi nhu cầu sử dụng hệ thống sơ cấp Đồn Đức Tình – B18DCVT362 Trang Mạng vơ tuyến khả tri Hình 1: Lỗ “hố” phổ Do nhu cầu thiết đặt viễn thông giới cho đời hệ thống vơ tuyến khả tri có khả sử dụng khoảng trắng dải tần số Sự xuất vô tuyến nhận thức cho phép giải khó khăn việc sử dụng hiệu tài nguyên tần số vô tuyến b Khái niệm Vô tuyến khả tri mơ hình mà có khả tự nhận thức thực thể, nhạy cảm với thay đổi môi trường xung quanh có khả tương tác với mơi trường cách thích nghi để tự cấu hình hay tái thiết lập mạng Câu Trình bày tóm tắt mơ hình kiến trúc hệ thống vơ tuyến khả tri? Hình 2: Vô tuyến định nghĩa phần mềm vô tuyến khả tri Đồn Đức Tình – B18DCVT362 Trang Mạng vơ tuyến khả tri Vơ tuyến khả tri CR thực hoàn toàn dựa thay đổi cấu trúc phần mềm mà thay đổi cấu trúc phần cứng bên hệ thống vô tuyến trước 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 Câu Trình bày tóm tắt chức hoạt động hệ thống vô tuyến khả tri? a Chức Hệ thống vơ tuyến nhận thức có bốn chức Đó là:  Nhận biết phổ: cho phép người dùng thứ cấp (SU) phát khoảng phổ trống tận dụng khoảng tần số để truyền tín hiệu mà khơng ảnh hưởng đến hệ thống sơ cấp  Quản lý phổ: bao gồm hai chức nhỏ phân tích phổ định phổ Trong hệ thống vô tuyến nhận thức, người dùng thứ cấp phải định khoảng phổ đáp ứng tốt yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) khoảng phổ trống Phân tích phổ: tính toán ước lượng dung lượng phổ chất lượng hố phổ tốt Một nhiệm vụ quan trọng chức phân tích phổ tính tốn ước lượng dung lượng phổ Tuy nhiên, dung lượng phổ cần phải lưu ý đến yếu tố khác thời gian trễ, tốc độ lỗi liên kết thời gian chiếm giữ, ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ Hơn q trình tính tốn ước lượng phổ cịn phải cân nhắc đến nhiễu xuyên kênh suy hao Suy hao gia tăng tần số hoạt động tăng Vì vậy, cơng suất truyền người dùng CR khơng đổi khoảng truyền giảm tần số cao hơn, tăng công suất truyền để bù suy hao kết gây nhiễu cho người dùng khác Cho đến nay, việc phân tích phổ mơ hình hóa phổ hệ thống CR phát triển Tuy nhiên, để tìm Đồn Đức Tình – B18DCVT362 Trang Mạng vơ tuyến khả tri khoảng phổ thích hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau, đòi hỏi phải nghiên cứu nhiều dải phổ kết nối tất thơng số đặc trưng để đưa định hợp lý Một phương pháp ước lượng dung lượng phổ đề cập dựa vào băng thông cơng suất truyền cho phép Theo đó, dung lượng phổ tính sau: 𝐶 = 𝐵𝑙𝑜𝑔(1 + 𝑆 ) 𝑁+1 B băng thơng, S cơng suất tín hiệu nhận từ người dùng CR, N công suất nhiễu nhận I công suất nhiễu xuyên kênh nhận CR gây truyền dẫn PU Trong hệ thống mạng CR dựa vào OFDM, dung lượng phổ ước lượng theo công thức sau: 𝛺 𝐶 = ∫ 𝑙𝑜𝑔2 (1 + 𝛺 𝐺(𝑓)𝑆0 ) 𝑁0 với 𝛺 tập hợp vùng phổ không sử dụng, G(f) công suất khuếch đại tần số f, 𝑆0 𝑁0 cơng suất tín hiệu nhiễu đơn vị tần số  Quyết định phổ: định lựa chọn dải phổ phù hợp thỏa mãn yêu cầu chất lượng dịch vụ hệ thống thức cấp  Chia sẻ phổ: chia sẻ phổ hệ thống vơ tuyến nhận thức coi tương tự trình điều khiển truy nhập chung Khi người dùng (hệ thống) thứ cấp cố gắng truy cập vào dải phổ trống, cần thiết phải điều phối truy cập để tránh xung đột phần phổ chồng lấn lên  Sử dụng phổ linh hoạt: vô tuyến khả tri linh hoạt thay đổi tần số sử dụng để chuyển qua tần số sẵn có khác mà cải thiện chất lượng mạng thông tin nhằm đạt chất lượng tốt b Hoạt động Mạng vơ tuyến khả tri (CRN) hoạt động băng cấp phép khơng cấp phép Do đó, chức thiết yếu CRN khác tùy theo phổ cấp phép hay khơng Đồn Đức Tình – B18DCVT362 Trang Mạng vô tuyến khả tri Phân loại hoạt động CRN thành CRN hoạt động băng cấp phép CRN hoạt động băng không cấp phép  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 Mạng vô tuyến khả tri hoạt động băng cấp phép minh họa hình 3, 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 3: Mạng vơ tuyến khả tri hoạt động băng tần 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 vơ 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 khơng cấp phép Đồn Đức Tình – B18DCVT362 Trang Mạng vơ tuyến khả tri Hình 4: Mạng vô tuyến khả tri hoạt động băng tần 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 không 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 Đồn Đức Tình – B18DCVT362 Trang Mạng vơ tuyến khả tri Câu Trình bày tóm tắt kiến trúc vật lý hệ thống vơ tuyến khả tri? Hình Kiến trúc vật lí vô tuyến khả tri: (a) Máy thu/phát vô tuyến khả tri; (b) Kiến trúc đầu cuối RF băng rộng Bộ phận hệ thống thu phát vơ tuyến nhận thức gồm hai phần phần cao tần (RF font end), trình bày Hình 5(b), phần xử lý băng gốc (baseband processing unit) Hai phận tái cấu hình thơng qua đường điều khiển (control) nhằm thích nghi với điều kiện thay đổi liên tục mơi trường Phần xử lí băng gốc tương tự hệ thống thu phát bình thường Ưu điểm trội phần đầu cao tần hệ thống vô tuyến nhận thức khả nhận biết rộng, điều chỉnh đến phần dải phổ rộng lớn Hơn phần cao tần đo lường thơng tin phổ từ môi trường để phục vụ cho chức nhận biết phổ Chức cụ thể khối RF Front-End sau: Đồn Đức Tình – B18DCVT362 Trang Mạng vô tuyến khả tri  Bộ lọc cao tần (RF Filter): Có tác dụng chọn lọc khoảng băng thơng mong muốn cách cho tín hiệu qua lọc thông dải  Bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA-Low noise amplifier): Bộ khuếch đại nhiễu thấp có tác dụng loại nhiễu tần số ảnh, khuếch đại nhiễu thấp tín hiệu ngõ vào máy thu tới mức cần thiết để đổi tần, tăng độ nhạy máy thu LNA thường có từ đến ba tầng khuếch đại tuyến tính, có điều hưởng chọn lọc tần số-băng thơng tín hiệu mong muốn Có tác dụng khuếch đại tín hiệu mong muốn đồng thời giảm tín hiệu nhiễu  Bộ trộn tần (MIXER): Tại đổi tần tín hiệu thu từ máy thu trộn với tần số gốc phát chuyển tới dải băng gốc hay tần số trung tâm  Bộ VCO (Voltage controlled oscillator): Được biết đến điều chỉnh tần số điện áp, có tác dụng khóa pha giúp tần số ổn định  Bộ lọc lựa chọn tần số (Channel selection filter): Được dùng để chọn kênh mong muốn đồng thời loại bỏ kênh kế cận  Bộ điều khiển độ lợi tự động (AGC - Automatic gain control): Là hệ thống hồi tiếp điều chỉnh độ lợi máy thu dựa vào biên độ tín hiệu thu đồng thời mở rộng dải động, cho phép ta tăng giảm độ khuếch đại tín hiệu thu yếu hay mạnh cách thay đổi điện áp phân cực  Bộ vịng khóa pha (PLL - Phase locked loop): Là hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu hồi tiếp dùng để khóa tần số pha tín hiệu theo tần số pha tín hiệu vào Trong kiến trúc này, tín hiệu băng rộng nhận thơng 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 Đoàn Đức Tình – B18DCVT362 Trang 10 Mạng vơ tuyến khả tri 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 Câu Trình bày chu trình nhận thức mạng vô tuyến khả tri CRN? a Khả nhận thức Khả nhận thức khả nắm bắt cảm nhận thông tin từ môi trường vô tuyến Khả không đơn giản thực giám sát công suất số băng tần số quan tâm mà cịn u cầu nhiều cơng nghệ phức tạp để nắm bắt biến đổi môi trường vô tuyến theo không gian theo thời gian nhằm tránh nhiễu ảnh hưởng tới người dùng khác Thông qua khả này, phần phổ không sử dụng thời điểm vị trí định xác định Từ đó, ta lựa chọn phổ tốt thông số hoạt động phù hợp b Chu trình nhận thức Hình Chu trình nhận thức 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 Đồn Đức Tình – B18DCVT362 Trang 11 Mạng vơ tuyến khả tri suốt q trình truyền xuất người dùng sơ cấp, hoạt động người dùng biến đổi lưu lượng phải điều chỉnh kịp thời Câu 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 sẻ 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 qt 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 mơi Đồn Đức Tình – B18DCVT362 Trang 12 Mạng vô tuyến khả tri trường phổ tần động Tất liệu đầu sau hợp lại thành khối, khối có nhiệm vụ đưa định thông 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 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 nguyên vơ tuyến (IPD) có đặc tính bản: nhận biết tần số, kênh không sử dụng sử dụng;  Cổng định thời, định thời việc chiếm dụng phổ trống phát tín hiệu  Điều khiển công suất phát (TPC): cho phép thiết lập công suất phát cách thích ứng dựa thay đổi mơi trường phổ Câu Trình bày sơ đồ khối thực vô tuyến khả tri CR dựa SDR?  Khối thu thập liệu phổ (khối 1): Lựa chọn tần số động yêu cầu khả cảm nhận băng rộng, thời gian thực môi trường phổ Đây q trình lấy mẫu Đồn Đức Tình – B18DCVT362 Trang 13 Mạng vô tuyến khả tri 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 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 3): 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 Đồn Đức Tình – B18DCVT362 Trang 14 .. .Mạng vô tuyến khả tri MỤC LỤC MỤC LỤC CÁC MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN NỘI DUNG: MẠNG VÔ TUYẾN KHẢ TRI I Mục tiêu ... Đoàn Đức Tình – B18DCVT362 Trang Mạng vơ tuyến khả tri CÁC MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN NỘI DUNG: MẠNG VÔ TUYẾN KHẢ TRI I Mục tiêu  Trình bày ý tưởng khái niệm vơ tuyến khả tri?  Trình bày tóm tắt... lập mạng Câu Trình bày tóm tắt mơ hình kiến trúc hệ thống vơ tuyến khả tri? Hình 2: Vơ tuyến định nghĩa phần mềm vơ tuyến khả tri Đồn Đức Tình – B18DCVT362 Trang Mạng vô tuyến khả tri Vô tuyến