Báo cáo môn học các mạng thông tin vô tuyến (26)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - - BÀI TẬP VỀ NHÀ CÁC MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN Giảng Viên: Nguyễn Viết Đảm Họ tên sinh viên: Phạm Văn Đạt Mã sinh viên: B18DCVT092 Lớp: D18CQVT04-B Nhóm mơn học: 03 Hà Nội, tháng năm 2022 Mục lục Vô tuyến khả tri Câu 1: Trình bày ý tưởng khái niệm vơ tuyến khả tri ? Câu 2: Trình bày chu trình nhận thức mạng vơ tuyến khả tri CRN Câu 3: Trình bày tóm tắt mơ hình kiên trúc hệ thống vơ tuyến khả tri Câu 4: Chức hoạt động vô tuyến khả tri…………………………………………7 Câu 5: Trình bày tóm tắt kiến trúc vật lý hệ thống vô tuyến khả tri Câu 6: Trình bày sơ đồ khối thực vơ tuyến khả tri CR dựa SDR 11 Câu : Trình bày thành phần vô tuyến khả tri CR để lựa chọn tần số động……………… 13 Câu Ứng dụng vô tuyến khả tri…….…………………………………………………………14 Câu 1: 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 vô 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 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, 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 Vơ tuyến khả tri vơ tuyến nhận biết mơi trường xung quanh thích ứng cách có khả tri, cách có nhận thức - Theo FCC: Vô tuyến khả tri hệ thống có khả cảm biến mơi trường xung quanh điều chỉnh các tham số hoạt động để tối ưu hố hệ thống dạng: tối đa băng thông, giảm can nhiễu, truy nhập phổ tần động - Theo giáo sư Simon Hayskin: Vô tuyến khả tri hệ thống truyền thông không dây thơng 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 thời gian thực - 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 qua khoảng phổ tạm thời khơng sử dụng khác Mơ hình kiến trúc hệ thống vô tuyến khả tri  Mạng sơ cấp (Primary network): 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 hoạt động người dùng không cấp phép - 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 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 khơng cấp phép) khơng có giấy phép để hoạt động băng mong muốn Do đó, phép truy nhập phổ có hội 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 - Trạm gốc vô tuyến khả tri: thành phần sở hạ tầng cố định với khả vô tuyến khả tri, cung cấp kết nối đơn chặng tới người dung vô tuyến khả tri SU/CU mà không cần giấy phép truy nhập phổ, người dung 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 nguyên phổ tần mạng vô tuyến khả tri khác nhau, kết nối với mạng với tư cách quản ly thông tin phổ nhằm cho phép CRN đồng hoạt động với mạng sơ cấp khác Câu 2: Trình bày chu trình nhận thức mạng vô 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 thơng 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 Câu 3: Trình 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 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 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 mơi trường vơ tuyến Trong SDR thay đổi định theo môi 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 Chức hoạt động vô tuyến khả tri * Vơ tuyến nhận thức có chức - Cảm biến phổ (Spectrum sensing): Phát phổ tần không sử dụng chia sẻ phổ mà không gây nhiễu tới người dùng khác - Quản lí phổ (Spectrum management): Sau cảm biến phổ định khoảng phổ trống, CR tiến hành việc quản lí để chọn khoảng phổ tối ưu, đáp ứng yêu cầu chất lượng mạng thông tin QoS (Quality of service) Chức chia làm bước: phân tích phổ định phổ - Sử dụng phổ linh hoạt (Spectrum mobility): CR 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 - Chia sẻ phổ (Spectrum Sharing): Trong mạng thông tin mà nhiều CR hoạt động Do cần phải có chức chia sẻ phổ CR để sử dụng dải băng tần cách cơng bằng, hợp lí tránh đụng độ * Hoạt động - Trên băng cấp phép: CRN tồn với mạng sơ cấp vị trí băng phổ, mục đích 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 Mạng vô tuyến khả tri hoạt động băng cấp phép - Trên băng không cấp phép: Nhiều CRN tồn vùng giống truyền thông sử dụng phần phổ Các thuật tốn chia sẻ phổ khả tri cải thiện hiệu sử dụng phổ hỗ trợ QoS cao Những người dùng vô tuyến khả tri tập trung vào phát việc truyền người dùng vô tuyến khả tri khác Việc chuyển giao phổ không kích hoạt có mặt người dùng sơ cấp khác Kiến trúc đòi hỏi phương pháp chia sẻ phổ phức tạp người dung vô tuyến khả tri Mạng vô tuyến khả tri hoạt động băng không cấp phép Câu 5: Kiến trúc vật lý hệ thống vô tuyến khả tri Máy thu/phát vô tuyến khả tri 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 Một xu hướng xử lý thơng minh hóa phải số hóa ta đưa liệu vào việc xử lý phần mềm kiến trúc máy tính Vì phần đầu cuối RF Front-End tạo nên khác biệt tiến CR Ưu điểm phần RF Front-End hệ thống CR khả cảm biến băng rộng, điều chỉnh đến phần dải tần số rộng lớn Hơn đo lường thơng tin phổ từ môi trường để phục vụ cho chức cảm biến phổ Các phận khối RF Front-End gồm có: + Bộ lọc RF (RF Filter): có tác dụng chọn khoảng băng thơng mong muốn cách cho tín hiệu qua lọc thơng dải + LNA (Low noise amplifier): khuếch đại tạp âm nhỏ có tác dụng: loại nhiễu tần số ảnh, khuếch đại nhiễu thấp tín hiệu nhỏ 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 10 + Bộ trộn MIXER: đổi tần tín hiệu thu từ máy thu trộn với tần số gốc phát chuyển tới dải băng gốc hay tần số trung tần + VCO (Voltage_controlled oscillator): biết đến điều chỉnh tần số điện áp Có tác dụng khóa pha giúp tần số ổn định + Bộ lọc lựa chọn kênh (Channel selection filter): dùng để chọn kênh mong muốn đồng thời loại bỏ kênh kế cận Có hai cách để chọn kênh: direct convertion receiver superheterodyne + AGC (Automatic gain control): hệ thống hồi tiếp điều chỉnh độ lợi máy thu dựa vào biên độ tín hiệu thu đồng thời mở rộng dải rộng, cho phép ta tăng giảm độ khuếch đại tín hiệu thu yếu hay mạnh cách thay đổi điện áp phân cực + PLL (Phase locked loop): hệ thống hồi tiếp vịng kín Tín hiệu hồi tiếp dùng để khóa tần số pha tín hiệu theo tần số pha tín hiệu vào 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 11 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 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 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 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 12 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 Câu : Trình bày thành phần vơ 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 môi trường phổ Đây trình lấy mẫu kênh để xác định kênh cịn trống, kênh sử dụng Một vài thơng 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 13 việc phân loại dữliệu, 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 củakết 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 môi 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 Ứng dụng vô tuyến khả tri * Ứng dụng thông tin không dây nhận thức Vô tuyến khả tri ứng dụng rộng rãi việc cải thiện hoạt động hệ thống thông tin không dây thiết lập hệ thống thông tin không dây - Ứng dụng tối ưu hóa nâng cao chất lượng: Nguồn tài nguyên vô tuyến không dây có giới hạn bao gồm phổ, phần cứng/phần mềm, kiến trúc hạ tầng mạng, công suất - Phần cứng phần mềm: Cụm từ phần cứng/phần mềm nguồn tài ngun mà vơ tuyến nhận thức sử dụng thông minh để cải thiện hoạt động thông tin Ứng dụng vô tuyến khả tri dựa vào SDR khả nâng cấp phần cứng thông qua thay đổi phần mềm *Giảm việc nhu cầu thay phần cứng *Giá thành vận hành, thay thế, nhân công thấp *Sẵn sàng cho nhiều ứng dụng *Giảm phức tạp phần cứng - Cơng suất: Tối ưu hóa cơng suất quan trọng kết nối không dây thời gian dài, giúp trì chất lượng kết nối u cầu 14 *Điều khiển cơng suất thích nghi *Tối ưu công suất cách tự động ngắt, tạm ngưng nhiệm vụ ưu tiên thấp giúp tiết kiệm công suất cho hệ thống *Cho phép truyền có thay đổi hình ảnh hay âm cảnh quan sát - Mạng: bao gồm tài nguyên phần cứng/phần mềm nguồn, đích phần tử đường kết nối thông tin không dây * Tối ưu lớp ngang: bao gồm tối ưu chức giao thức Vô tuyến nhận thức giám sát giao thức thích nghi giao thức phụ thuộc vào ứng dụng, mạng, nhu cầu khác * Học mạng: bao gồm sử dụng kiến thức mạng để tái cấu hình thơng số mạng nhằm cải thiện khả mạng, xử lí nhiều ứng dụng, thực quyền ưu tiên có tắc nghẽn mạng * Tối ưu đường truyền: vơ tuyến nhận thức xác định đường truyền tối ưu tái cấu hình thơng số mạng để sử dụng đường truyền đó, tài nguyên mạng tối ưu cực tiểu thời gian trễ giá thành *Thay đổi cấu trúc liên kết: Vô tuyến nhận thức xếp lại mạng nguồn đích để tối ưu hoạt động tài nguyên mạng *An ninh mạng: Vô tuyến nhận thức cung cấp an ninh cấp độ cao để chống lại xâm nhập tin tặc phá hủy mạng * Mạng nâng cấp mềm: nâng cấp thành phần mạng thông qua phần mềm nhằm giúp giảm việc thay thiết bị phần cứng có kết nối hay công nghệ *Ứng dụng dịch vụ hệ thống thông tin không dây 15 - Mơi trường gia đình nhà: hệ thống vơ tuyến khả tri dị tìm sử dụng phổ trống để tránh tắc nghẽn truy cập cao điểm thỏa mãn nhu cầu người dùng - Môi trường cơng sở: vơ tuyến khả tri ưu tiên kết nối mạng dựa vào bảng trạng thái ưu tiên, liên tục cập trạng thái bảng ưu tiên để quản lý chia sẻ phổ cách hợp lý - Nhận thức không gian: sử dụng tín hiệu RF, thơng tin mạng, tài ngun thiết bị hệ thống, thông tin GPS để định vị hệ thống hay thiết bị, sử dụng thông tin xác định để cải thiện chất lượng hệ thống thông tin - Chuyển vùng: vơ tuyến thơng minh cho phép ngui dùng xuyên biên giới với sách luật thay đổi - Quản lý chất lượng QoS: vô tuyến khả tri tối ưu thời gian truyền, lựa chọn băng thông kênh truyền điều chỉnh dịch vụ cung cấp có thay đổi chất lượng kết nối công suất - Giao tiếp người-máy: CR có khả tương tác tự động thiết bị thơng tin với người dùng - Quản lý cứu hộ tình thảm họa: Trong trường hợp thảm họa xảy ra, mạng không dây cá nhân mạng điện thoại khơng hoạt động khoảng phổ dùng cho an ninh cơng cộng q tải số lượng kết nối khẩn cấp Lúc vơ tuyến nhận thức sử dụng khoảng phổ trống có phép khơng phép thiết bị mạng không đồng để thiết lập trì kết nối khẩn cấp tạm thời - Cứu hỏa: Vô tuyến nhận thức thiết lập kết nối hiệu tùy vào điều kiên kênh truyền (sức gió, độ nóng, độ ẩm) nhằm trì việc trao đổi thơng tin lính cứu hỏa phận huy - Chống tội phạm: Vô tuyến nhận thức giúp việc trao đổi thơng tin cách nhanh chóng mang tính bảo mật cao, ngăn chặn người dùng không xác thực đánh cắp thông tin 16 - Điều khiển giao thơng: Trung tâm quản lí giao thơng truyền thơng tin vị trí giao thơng tắc nghẽn, dự đốn đưa đường thay cho người tham gia giao thông nhờ vào hệ thống vô tuyến nhận thức Tại cột đèn báo hiệu giao thông, dựa vào thông tin nhận lưu lượng người hướng để định đèn xanh đỏ sáng - Quân đội: Các mạng Vô tuyến thông minh cho phép vơ tuyến qn đội lựa chọn băng tần số trung tần (IF), sơ đồ điều chế sơ đồ mã hóa tùy ý, thích ứng với môi trường vô tuyến biến đổi chiến trường 17 ... tầng mạng cố định, có giấy phép phổ, BTS mạng tế bào 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. .. tần mạng vô tuyến khả tri khác nhau, kết nối với mạng với tư cách quản ly thông tin phổ nhằm cho phép CRN đồng hoạt động với mạng sơ cấp khác Câu 2: Trình bày chu trình nhận thức mạng vơ tuyến. .. dung vô tuyến khả tri Mạng vô tuyến khả tri hoạt động băng không cấp phép Câu 5: Kiến trúc vật lý hệ thống vô tuyến khả tri Máy thu/phát vơ tuyến khả tri Thành phần máy thu/phát CR đầu cuối vô tuyến