Báo cáo môn học các mạng thông tin vô tuyến (24)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG I BÁO CÁO BÀI TẬP CÁC MẠNG TT VÔ TUYẾN Giảng viên hướng dẫn : NGUYỄN VIẾT ĐẢM Sinh viên : Phạm Đức Duy Mã sinh viên : B18DCVT071 STT : 08 Hà Nội, 05/2022 CÂU HỎI Trình bày ý tưởng khái niệm vơ tuyến khả tri 2 Trình bày tóm tắt mơ hình kiến trúc hệ thống vô tuyến khả tri 3 Trình bày tóm tắt chức hoạt động hệ thống vô tuyến khả tri 4 Trình bày tóm tắt kiến trúc vật lý hệ thống vô tuyến khả tri Trình bày chu trình nhận thức mạng vô tuyến khả tri CRN .9 Trình bày sơ đồ khối thực vơ tuyến khả tri CR dựa SDR 10 Trình bày thành phần vô tuyến khả tri CR để lựa chọn tần số động 12 1 Trình bày ý tưởng khái niệm vô tuyến khả tri Ý tưởng vô tuyến khả tri: Hình 1: Minh họa việc chiếm dụng phổ + Tần số vô 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 toàn giải tần số vô tuyến từ đến 100 GHz quan trắc thời gian không 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 + Vơ tuyến khả tri mạng vô tuyến giải vấn đề sử dụng hết, sử dụng hiệu sử dụng triệt để tài nguyên tần số vô tuyến Khái niệm: Vô tuyến khả tri thường coi 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 + Theo FCC: Vô tuyến khả tri vô tuyến thay đổi thơng số truyền dựa mơi giới với mơi trường mà hoạt động + Theo giáo sư Simon Hayskin: Vô tuyến khả tri hệ thống truyền thông không dây thông minh, có khả nhận biết mơi trường xung quanh, từ mơi trường thích nghi với thay đổi môi trường cách thay đổi thông số tương ứng + Theo IEEE: Vô tuyến khả tri hệ thống phát/nhận tần số vô tuyến mà thiết kế để phát cách thông minh vùng phổ chiếm dụng hay không, nhảy vào (hoặc thoát khỏi cần thiết) nhanh qua khoảng phổ tạm thời không sử dụng khác, nhằm không gây nhiễu cho hệ thống cấp phép khác Trình bày tóm tắt mơ hình kiến trúc hệ thống vơ tuyến khả tri Mơ hình kiến trúc hệ thống vơ tuyến khả tri: Hình 2: Minh họa, so sánh, vô tuyến thông thường, vô tuyến định nghĩa phần mềm SDR vô tuyến khả tri CR 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 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 (khẳ 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 Trình bày tóm tắt chức hoạt động hệ thống vô tuyến khả tri Chức hệ thống vô tuyến khả tri: Vô 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: + Xác định phần phổ tần khả dụng phát hoạt động (sự tồn tại) PU (cảm nhận phổ tần); + Lựa chọn, chiếm dụng kênh khả dụng (quản lí phổ); + Đồng truy nhập vào kênh với người dùng khác (chia sẻ phổ); + Hoàn trả kênh phát người dùng cấp phép PU (dịch chuyển phổ).\ Một vô tuyến khả tri hỗ trợ khả lựa chọn kênh tốt (khả dụng nhât), thách thức tạo giao thức mạng để thích ứng với phổ khả dụng Vì thế, mạng vơ tuyến khả tri CRN cần có nhiều tính để hỗ trợ tính thích ứng Tóm lại, chức vơ 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 Hoạt động điển hình mạng vơ tuyến khả tri: 1) Trên băng cấp phép Hình 3: Mạng vơ tuyến khả tri hoạt động 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 CRN tồn với mạng sơ cấp vị trí băng phổ 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 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) 2) Trên băng khơng cấp phép Hình 4: Mạng vơ tuyến khả tri 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 không 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 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 Trình bày tóm tắt kiến trúc vật lý hệ thống vơ tuyến khả tri Kiến trúc vật lí vơ tuyến khả tri: Hình 5: Kiến trúc vật lí vơ tuyến khả tri Kiến trúc tổng qt thu/phát CR minh họa hình 5(a) Thành phần máy thu/phát CR đầu cuối vơ tuyến RF (RF front-end) 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 băng rộng, khuếch đại công 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 vơ tuyến Nói chung, kiến trúc đầu cuối băng rộng cho vơ tuyến khả tri có kiến trúc hình 5(b) 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 + Vịng 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 thơng thấp để lựa chọn kênh, cịn máy thu superheterodyne lại sử dụng lọc thông dải + Mạch tự động điều chỉnh độ lợi (AGC): AGC trì độ lợi mức cơng suất đầu khuếch đại không đổi dải rộng mức công suất đầu 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 Trình bày chu trình nhận thức mạng vơ tuyến khả tri CRN Chu trình nhận thức: Hình 6: Chu trình nhận thức Khả nhận thức cho phép vơ tuyến khả tri tương thích thời gian thực với thay đổi môi trường để xác định thơng số truyền thích hợp thích ứng với mơi trường vô tuyến động Nhiệm vụ yêu cầu cho hoạt động thích ứng phổ cho hình 6, gọi chu trình nhận thức 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 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 q 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 vô tuyến khả tri CR dựa SDR 10 Hình 7: Sơ đồ khối thực vơ tuyến khả tri CR dựa SDR Có thể thấy rằng, SDR sở để thực vô tuyến khả tri CR Bởi lẽ, SDR cung cấp mặt vô tuyến linh hoạt mềm dẻo, ta lập trình điều khiển thích ứng khối giám sát trung tâm Tính ưu việt SDR khả mềm hóa phần cứng, cơng nghệ điện tử thời ADC, DDC, tổng hợp tần số tốc độ cao, phương pháp chế tạo vi điện tử,… thực với chi phí hợp lí, tích hợp cao kích thước nhỏ gọn Đặc biệt, SDR cho phép thay đổi, nâng cấp, cập nhật, bổ sung, tích hợp dạng chương trình hóa FPGA 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 (khẳ 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 Sơ đồ khối điển hình vơ tuyến khả tri dựa module 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 Ta biểu thị băng N tần tổng anten băng rộng f i , gồm N băng con, băng gán cho i1 SDR định + 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 + 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 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 11 vụ đưa định thông minh Các định bao gồm việc lựa chọn kết hợp thông tin phát được, để đạt thông tin đầu thực muốn Trình bày thành phần vơ tuyến khả tri CR để lựa chọn tần số động Hình 8: Các thành phần vơ tuyến khả tri 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 môi trường phổ Đây trình lấy mẫu kênh để xác định kênh cịn 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 Quá 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 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 yêu cầu dùng kênh hoa tiêu băng hẹp + Khối đáp ứng (khối 3): Tại ví trí thời điểm xác định, khối chức thứ ba thực việc xác định dạng sóng tần số động để sử dụng 12 + Khối thích ứng (khối 4): Khối có nhiệm vụ thích ứng với thay đổi mạng 13 ... trúc hệ thống vơ tuyến khả tri Mơ hình kiến trúc hệ thống vơ tuyến khả tri: Hình 2: Minh họa, so sánh, vô tuyến thông thường, vô tuyến định nghĩa phần mềm SDR vô tuyến khả tri CR Vô tuyến khả tri... thông minh Các định bao gồm việc lựa chọn kết hợp thông tin phát được, để đạt thông tin đầu thực muốn Trình bày thành phần vô tuyến khả tri CR để lựa chọn tần số động Hình 8: Các thành phần vô. .. lý hệ thống vô tuyến khả tri Trình bày chu trình nhận thức mạng vô tuyến khả tri CRN .9 Trình bày sơ đồ khối thực vô tuyến khả tri CR dựa SDR 10 Trình bày thành phần vô tuyến khả tri