Báo cáo môn học các mạng thông tin vô tuyến (12)

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG - - BÁO CÁO MẠNG VÔ TUYẾN KHẢ TRI Họ tên sinh viên: ĐỖ NGỌC ANH TÚ Mã sinh viên: B18DCVT366 Giảng viên: NGUYỄN VIẾT ĐẢM Hà Nội, năm 2022 Đỗ Ngọc Anh Tú Nội dung Trình bày ý tưởng khái niệm mạng vơ tuyến khả tri Trình bày tóm tắt mơ hình kiên trúc hệ thống vơ tuyến khả tri Trình bày tóm tắt chức hoạt động hệ thống vô tuyến khả tri 4 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 11 Đỗ Ngọc Anh Tú Trình bày ý tưởng khái niệm mạng vơ tuyến khả tri • Ý tưởng Tần số vơ tuyến tài nguyên khan quản lý tổ chức viễn thơng phủ 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 Hình minh họa cho vấn đề Hình 1: Minh hoạ việc chiếm dụng phổ 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 nhau, định nghĩa nghiên cứu chuẩn hóa IEEE-1900 diễn đàn vơ tuyến định nghĩa mềm (SDR) 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 vô tuyến linh hoạt có khả nhận thức (khả tri), thích ứng tham số theo thay đổi môi trường, theo yêu cầu người dùng yêu cầu người dùng vô tuyến khác chia sẻ môi trường phổ Đỗ Ngọc Anh Tú Trình bày tóm tắt mơ hình kiên trúc hệ thống vơ tuyến khả tri Hình 2: Vơ tuyến định nghĩa phần mềm 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 Trình bày tóm tắt chức hoạt động hệ thống vơ tuyến khả tri • Chức 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 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 Đỗ Ngọc Anh Tú 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 khơng cấp phép Do đó, chức thiết yếu CRN khác tùy theo phổ cấp phép hay không Dưới đây, ta phân loại hoạt động CRN thành CRN hoạt động băng cấp phép CRN hoạt động băng không cấp phép Các chức CRN giải thích phần sau theo loại ✓ 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 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 Đỗ Ngọc Anh Tú 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 Trình bày tóm tắt kiến trúc vật lý hệ thống vô tuyến khả tri Thành phần máy thu/phát CR đầu cuối vơ 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 Tuy nhiên, điểm vô tuyến khả tri đầu cuối RF Vì vậy, ta tập trung vào đầu cuối RF vô tuyến khả tri Điểm máy thu phát CR khả cảm nhận phổ băng rộng đầu cuối RF Chức liên quan tới công nghệ phần cứng RF anten Đỗ Ngọc Anh Tú 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 mơi trường vơ tuyến Nói chung, kiến trúc đầu cuối băng rộng cho vô tuyến khả tri có kiến trúc hình 5(b) Hình 5: Kiến trúc vật lý vô tuyến khả tri: (a) Máy thu/phát vô tuyến khả tri; (b) Kiến trúc đầu cuối RF băng rộng 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 + 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 số 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 Đỗ Ngọc Anh Tú + Vịng khóa pha (PLL): PLL đảm bảo tín hiệu khóa tần số định với 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 Như trình bày trên, 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 Trình bày chu trình nhận thức mạng vơ tuyến khả tri CRN 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 u cầu người dùng Đỗ Ngọc Anh Tú Hình 6: 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 sơ đồ khối thực vơ 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 Đỗ Ngọc Anh Tú Hình 7: 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 quét băng tần rộng phù hợp với thay đổi môi trường phổ + Bộ ghép song công cho phép, 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 Các định bao gồm việc lựa chọn kết hợp thông tin phát được, để đạt thông tin đầu thực muốn 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, công 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 10 Đỗ Ngọc Anh Tú Trình bày thành phần vô tuyến khả tri CR để lựa chọn tần số động Các thành phần vô tuyến khả tri CR để lựa chọn tần số động tóm gọn khối trình bày hình đây: Hình 8: Các thành phần vô tuyến khả tri để lựa chọn tần số động 11 ... trúc vật lý hệ thống vô tuyến khả tri Trình bày chu trình nhận thức mạng vô tuyến khả tri CRN Trình bày sơ đồ khối thực vơ tuyến khả tri CR dựa SDR Trình bày thành phần vô tuyến khả tri CR để... thực thông tin phổ từ mơi trường vơ tuyến Nói chung, kiến trúc đầu cuối băng rộng cho vơ tuyến khả tri có kiến trúc hình 5(b) Hình 5: Kiến trúc vật lý vô tuyến khả tri: (a) Máy thu/phát vô tuyến. .. bày thành phần vô tuyến khả tri CR để lựa chọn tần số động Các thành phần vô tuyến khả tri CR để lựa chọn tần số động tóm gọn khối trình bày hình đây: Hình 8: Các thành phần vô tuyến khả tri để