Công nghệ nhận thức vô tuyến 5g phan quốc tân

1 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt ADC Analog - Digital Chuyển đổi tương tự - số CDMA Convertor Code Division Multiple Đa truy cập phân chia theo mã CR FDMA Access Cogtive Radio Frequency Division Vô tuyến nhận thức Đa truy cập phân chia theo tần PU QoS RF RX SDR Multiple Access Primary User Quality of Service Radio Frequency Receiver Software Difined Radio số Người dùng Chất lượng dịch vụ Tần số vơ tuyến Máy thu Vô tuyến định nghĩa phần SNR SU TDMA Signal – to - Noise Ratio Secondary User Time Division Multiple mềm Tỷ số tín hiệu nhiễu Người dùng phụ Đa truy cập phân chia theo thời UWB Access Ultra Wideband gian Di động siêu băng rộng Tên Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 1.1 Lý đời vô tuyến nhận thức Các mạng thông tin vô tuyến ứng dụng nhiều công nghệ tối ưu chất lượng dịch vụ khai thác cách hiệu băng tần cấp phép Tuy nhiên, phổ tần mạng vô tuyến chưa khai thác cách triệt để, cịn hố phổ Ví dụ minh họa hình dưới) Hình1 Minh họa hố phổ Cơng nghệ vô tuyến nhận thức thiết kế nhằm nâng cao hiệu sử dụng phổ tần, người dùng phụ có khả sử dụng phổ chia sẻ mà khơng gây nhiễu tới người dùng cấp phép Vô tuyến nhận thức cho phép sử dụng vùng phổ trống theo thời điểm, phổ ám hố phổ hay khoảng trắng (Hình 1.1) Nếu băng phổ người dùng (người dùng cấp phép) sử dụng tiếp người dùng vơ tuyến nhận thức phải chuyển đến hố phổ khác băng tần phải thay đổi mức công suất phát sơ đồ điều chế để tránh gây nhiễu đến người dùng 1.2 Khái niệm vơ tuyến nhận thức Vô tuyến nhận thức không cơng nghệ mới, mà cịn thay đổi mang tính cách mạng việc sử dụng phổ tần vô tuyến Vô tuyến nhận thức cho phép đầu cuối cảm biến, hiểu biết sử dụng cách linh hoạt phổ tần sẵn có thời điểm định Trong khảo sát vô tuyến nhận thức, Simon Haykin khái quát vô tuyến nhận thức sau: “Cognitive radio is an intelligent wireless communication system that aware of its surrounding enviroment and use the methodology of understanding by building to learn from the environment and adapt its internal states to statistical variations in the incoming radio frequence (RF) stimuli by making corresponding changes in certain operating parameters (eg:transmit power, carrier frequency, modulation strategy) in real time,with two primary objectives in mind: - Highly reliable communications whenever and wherever needed - Efficient utilization of the radio spectrum ” Tức là, “Vô tuyến nhận thức hệ thống truyền thông vô tuyến thơng minh có khả nhận thức mơi trường xung quanh từ tự huấn luyện để thích nghi với thay đổi môi trường cách thay đổi tham số hoạt động cụ thể (ví dụ cơng suất phát, tần số sóng mang, phương thức điều chế) thời gian thực, với hai đặc tính chính: o Truyền thông độ tin cậy cao thời điểm o Sử dụng hiệu phổ tần số vô tuyến” Vô tuyến nhận thức lên cơng nghệ đầy hứa hẹn để tối đa hóa việc sử dụng băng thông vô tuyến ngày bị hạn chế số lượng ngày tăng dịch vụ ứng dụng mạng vô tuyến Một mạng vô tuyến nhận thức (CR) thu - phát có khả thích ứng với mơi trường hoạt động thơng số vơ tuyến có nhiệm vụ làm tối đa hóa việc sử dụng nguồn tài nguyên vô tuyến hạn chế cung cấp linh hoạt truy cập vơ tuyến Mục đích mạng vô tuyến nhận thức sử dụng hiệu tài nguyên bao gồm tần số, thời gian công suất truyền tải Hiệu việc sử dụng quang phổ đóng vai trị ngày quan trọng hệ thống truyền thông vô tuyến tương lai có nhiều người dùng với dịch vụ cao Cơng nghệ vơ tuyến nhận thức sử dụng hệ thống có mức ưu tiên thấp để cải thiện hiệu quang phổ cách cảm nhận môi trường phổ sau phát khoảng phổ cịn trống để cấp phép sử dụng Tần số khơng sử dụng coi hố phổ tần số mà từ giao cho người sử dụng phụ (SU) Sự liên kết việc sử dụng phổ vô tuyến trường hợp đặc biệt mạng vô tuyến nhận thức Ngồi ra, kỹ thuật Vơ tuyến nhận thức sử dụng mạng lưới cấp phép để nâng cao hiệu sử dụng phổ tần 1.3 Chức Vơ tuyến nhận thức có chức chính: Cảm biến phổ (Spectrum sensing): Phần chức trình bày rõ chương tài liệu 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 thơng tin khơng có mà nhiều CR hoạt động Do cần phải có chức chia sẻ phổ CR để sử dụng dải băng tần cách công bằng, hợp lí tránh đụng độ Hình1 2: Sử dụng phổ linh hoạt 1.4 Đặc điểm mạng vô tuyến nhận thức Dựa vào số phân tích ta nhận thấy mạng Vơ tuyến nhận thức có đặc điểm sau: Khả nhận thức: Khả nhận thức khả mà công nghệ vô tuyến nắm bắt cảm biến thông tin từ môi trường vô tuyến Khả không đơn giản thực giám sát công suất số băng tần số quan tâm mà yêu cầu nhiều công nghệ phức tạp để nắm bắt biến đổi môi trường vô tuyến theo không gian theo thời gian, nhằm tránh gây nhiễu ảnh hưởng tới người dùng Thơng qua khả này, phần phổ không sử dụng thời điểm vị trí định xác định Từ đó, lựa chọn phổ tốt với thông số hoạt động phù hợp để sử dụng Tính tự cấu hình: Tính tự cấu hình cho phép mạng vơ tuyến có khả lập trình tự động theo thay đổi mơi trường vơ tuyến Đặc biệt, Vơ tuyến nhận thức lập trình để truyền nhận thơng tin tần số khác để sử dụng công nghệ truy cập truyền dẫn khác phần cứng hỗ trợ Một số thông số tự cấu hình cần ý là: Tần số hoạt động, điều chế, công suất phát, công nghệ truyền Mục tiêu vô tuyến nhận thức tận dụng phổ tần có sẵn tốt thơng qua khả nhận thức tính tự cấu hình Vì hầu hết phổ tần cấp phép, nên thách thức quan trọng sử dụng chia sẻ phổ tần cấp phép mà khơng gây nhiễu tới q trình truyền dẫn người dùng cấp phép khác 1.5 Mơ hình hệ thống mạng vơ tuyến nhận thức  Cấu trúc vật lí mạng Vơ tuyến nhận thức Kiến trúc tổng quan thu phát vô tuyến nhận thức Hình 1.3 Thành phần thu phát vơ tuyến nhận thức đầu cuối RF (RF front-end) khối xử lí băng gốc Mỗi thành phần tự cấu hình thơng qua bus điều khiển để thích ứng với môi trường RF biến đổi theo thời gian Trong đầu cuối RF, tín hiệu thu 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 vơ tuyến nhận thức chất tương tự thu phát tồn Tuy nhiên, điểm vô tuyến nhận thức nằm đầu cuối RF Vì vậy, ta tập trung vào đầu cuối RF Vô tuyến nhận thức Điểm thu phát vô tuyến nhận thức khả cảm nhận 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 vơ tuyến nhận thức có khả điều chỉnh tới phần dải phổ tần rộng lớn Cảm nhận phổ cho phép việc đo lường thời gian thực thông tin phổ từ mơi trường vơ tuyến (b) Hình 3: Kiến trúc vật lí vơ tuyến nhận thức (a) Bộ thu phát vơ tuyến nhận thức; (b) Mơ hình đầu cuối RF/tương tự băng rộng Nói chung, mơ hình đầu cuối băng rộng cho vơ tuyến nhận thức miêu tả Hình 1.3 (b) Đầu cuối RF Vô tuyến nhận thức bao gồm thành phần sau: * Bộ lọc RF: Bộ lọc RF lựa chọn băng tần mong muốn cách lọc thông dải tín hiệu RF nhận * Bộ khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA): Khuếch đại tín hiệu mong muốn đồng thời giảm thiểu thành phần tạp âm * Bộ trộn: Tại trộn, tín hiệu nhận được 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 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 sử dụng để tạo tần số xác * Bộ lọc lựa chọn kênh: Bộ lọc lựa chọn kênh sử dụng 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 * Điều khiển độ lợi tự động (AGC): AGC trì độ lợi mức công suất đầu khuếch đại khơng đổi qua dải rộng mức tín hiệu đầu vào Trong kiến trúc này, tín hiệu băng rộng nhận thông qua đầu cuối RF, lấy mẫu chuyển đổi tương tự-số (ADC) tốc độ cao, việc đo đạc thực để phát tín hiệu người dùng Tuy nhiên, tồn nhiều hạn chế việc phát triển đầu cuối Vô tuyến nhận thức Anten RF băng rộng nhận tín hiệu từ máy phát khác hoạt động mức công suất, băng thơng vị trí khác Kết là, đầu cuối RF phải có khả phát tín hiệu yếu dải tần số động lớn Tuy nhiên, khả địi hỏi phải có chuyển đổi ADC tốc độ vài GHz với độ phân giải cao, mà điều khó thực Trước thực chuyển đổi, chuyển đổi ADC tốc độ vài GHz cần phải giảm bớt dải động tín hiệu Điều đạt cách lọc tín hiệu mạnh Vì tín hiệu mạnh nằm đâu dải phổ rộng lớn, nên cần phải có lọc Một cách khác sử dụng nhiều anten cho việc lọc tín hiệu thực miền không gian miền tần số Nhiều anten nhận tín hiệu cách chọn lọc cách sử dụng công nghệ điều khiển búp sóng Thách thức chủ yếu kiến trúc vật lí Vơ tuyến nhận thức phát xác tín hiệu yếu người dùng qua dải phổ tần rộng Do vậy, việc thực đầu cuối RF băng rộng chuyển đổi ADC vấn đề hàng đầu mạng vô tuyến nhận thức  Mơ hình nút mạng vơ tuyến nhận thức Trong mơ hình hệ thống Vơ tuyến nhận thức người dùng khơng cần quan tâm thiết bị mạng, không cần phải sửa đổi hệ thống mạng có, cho điều kiện tiên hệ thống vô tuyến nhận thức Điều quan trọng người dùng kế thừa thiết bị mạng sẵn có hoạt động theo cách thơng thường áp dụng cho hệ thống mạng vô tuyến nhận thức Một giải pháp để cung cấp tốc độ liệu cao khoảng cách ngắn UWB quyền hạn truyền tải đòi hỏi phải cao UWB trải tín hiệu dải tần số rộng Vì vậy, hệ thống vơ tuyến nhận thức người dùng phụ tạm dừng hoạt động người dùng truyền liệu cơng nghệ UWB (siêu băng rộng) không sử dụng mạng Vô tuyến nhận thức Các nghiên cứu mơ hình hệ thống vơ tuyến nhận thức trình bày hình 1.4 Mơ hình hệ thống Vơ tuyến nhận thức bao gồm người sử dụng chính, người sử dụng phụ trạm trung gian chọn nút đóng vai trị phối hợp phổ mạng Các kích thước hệ thống, thơng số vị trí người sử dụng minh họa Khi mạng lưới bắt đầu hoạt động, tín hiệu vào nút tiếp tục hoạt động mạng ngắt kết nối Một ví dụ cho hệ thống vô tuyến nhận thức giới thiệu hình 1.5, nơi vị trí người dùng người dùng phụ chọn ngẫu nhiên khu vực phân phối sử dụng mạng thống Màu xám hình mơ tả khu vực nơi SU PU có ảnh hưởng lẫn Đây khu vực mà cho SU phát diện PU thông qua cảm biến Hình1 4: Mơ hình nút mạng vơ tuyến nhận thức 10