1.6.1. Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR).
Trước khi trình bày kiến trúc của Vô tuyến thông minh, ta sẽ đi sơ qua về vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm, nó được coi là nền tảng cho việc thực hiện Vô tuyến thông minh trong tương lai.
Vô tuyến định nghĩa phần mềm là một hệ thống truyền thông không dây có thể cấu hình lại, trong đó các tham số truyền dẫn (như băng tần hoạt động, phương thức điều chế, giao thức ...) có thể được điều khiển một cách tự động. Chức năng này được thực hiện bởi các thuật toán xử lý tín hiệu được điều khiển bằng phần mềm. SDR là chìa khóa để thực thi Vô tuyến thông minh. Dựa theo vùng hoạt động của nó thì SDR có thể là:
- Một hệ thống đa băng tần: SDR sẽ hỗ trợ nhiều băng tần khác nhau được sử
dung bởi một vô tuyến (ví dụ, GSM 900, GSM 1800, GSM 1900).
- Một hệ thống đa chuẩn: SDR sẽ hỗ trợ nhiều chuẩn khác nhau (ví dụ GSM,
WCDMA, cdma2000, WiMAX, WiFi). Các giao diện vô tuyến khác nhau với cùng một chuẩn (ví dụ IEEE 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n trong chuẩn WiFi) cũng có thể được hỗ trợ bởi SDR.
- Một hệ thống hỗ trợ đa dịch vụ: SDR sẽ hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ, ví dụ
như thoại tế bào hay truy cập Internet không dây băng rộng.
- Một hệ thống đa kênh: SDR có thể hoạt động truyền/nhận dữ liệu trên nhiều
băng tần cùng lúc.
Vô tuyến định nghĩa phần mềm sử dụng các thiết bị kỹ thuật số khả lập trình để thực hiện xử lý dữ liệu cần thiết để truyền và nhận các thông tin băng tần cơ sở tại tần
số vô tuyến. Cấu trúc tổng quát của bộ thu phát SDR được mô tả như ở Hình 1.8:
Xử lý dữ liệu Xử lý băng tần
cơ sở A/D
Đầu cuối vô tuyến
Phát/ Thu Tín hiệu điều khiển
Dữ liệu vào
Dữ liệu ra
Hình 1.8. Cấu trúc tổng quát bộ thu phát SDR
Hầu hết các thành phần trong cấu trúc của SDR (như bộ xử lý tín hiệu, bộ chuyển đổi tương tự - số, bộ xử lý băng tần cơ sở...) đều tương tự với vô tuyến truyền thống, chỉ khác ở chỗ là các thành phần này trong SDR có thể được điều khiển bởi các
giao thức ở các lớp cao hơn hoặc có thể được cấu hình lại bởi các module vô tuyến thông minh.
Trong vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm các đặc tính về tần số sóng mang, băng thông tín hiệu, điều chế, và truy nhập mạng đều được định nghĩa bằng phần mềm. Ngày nay, các SDR cũng được thực hiện các mật mã bảo mật cần thiết; mã hóa sửa lỗi trước (FEC); và mã hóa nguồn tiếng nói, hình ảnh, hoặc dữ liệu trong phần mềm.
1.6.2. Mô hình thực hiện Vô tuyến thông minh
Như đã đề cập ở trên SDR là cơ sở để thực hiện Vô tuyến thông minh. Lí do rất đơn giản: SDR cung cấp một mặt bằng vô tuyến rất mềm dẻo, ở đó ta có thể lập trình và điều khiển thích ứng bởi một khối giám sát trung tâm. Các công nghệ điện tử hiện tại, bao gồm ADC, DDC, bộ tổng hợp tần số tốc độ cao, phương pháp chế tạo vi điện tử, … đã khiến cho SDR có thể thực hiện được với chi phí rất hợp lí và kích thước nhỏ gọn. Các SDR hiện tại có thể thực hiện Vô tuyến thông minh thực sự trong tương lai.
Hình 1.9 so sánh vô tuyến thông thường, Vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm và Vô tuyến thông minh.
RF Điều chế Mã hóa Tạo khung Xử lí
Phần cứng Phần mềm
Vô tuyến thông thường
RF Điều chế Mã hóa Tạo khung Xử lí
Phần cứng Phần mềm
Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm
RF Điều chế Mã hóa Tạo khung Xử lí
Phần cứng Phần mềm
Vô tuyến thông minh
Xử lí thông minh (cảm nhận, quyết định, chia sẻ)
Hình 1.9. So sánh giữa Vô tuyến thông thường, Vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm và Vô tuyến thông minh.
Từ sơ đồ trên, ta có thể thấy rằng, Vô tuyến thông minh có thể thực hiện được hoàn toàn chỉ dựa trên những thay đổi ở cấu trúc phần mềm, chứ không phải thay đổi ở cấu trúc phần cứng bên trong như các hệ thống vô tuyến trước đây nữa. Để phát triển Vô tuyến thông minh từ SDR, ta chỉ cần thêm vào SDR các khối xử lí thông minh như DFS, TPC và IPD. Điểm khác biệt chủ yếu của Vô tuyến thông minh so với Vô tuyến
được định nghĩa bằng phần mềm (SDR) là khả năng thông minh, tự động thích ứng nhanh chóng với sự thay đổi của môi trường vô tuyến. Trong khi SDR chỉ có thể thay đổi các quyết định theo môi trường trong phạm vi một tập các lựa chọn được cấu hình sẵn qua phần mềm, thì Vô tuyến thông minh có khả năng tự cấu hình, tức là nó có thể thích ứng ngay với điều kiện của môi trường mà không cần cấu hình trước. Như vậy, Vô tuyến thông minh thích nghi với môi trường phổ; trong khi SDR lại thích nghi với môi trường mạng, và chúng có một phần chồng lên nhau về chức năng.
SDR thích nghi với môi trường mạng
CR thích nghi với môi trường phổ
Hình 1.10. Quan hệ giữa Vô tuyến thông minh và SDR
Sơ đồ khối của một Vô tuyến thông minh dựa trên các module SDR được chỉ ra trên Hình 1.11, ở đây có hai khối quan trọng nhất, một khối là module máy thu bao bởi các đường gạch ngang phía trên, và một khối là module máy phát được bao bởi khối đường gạch ngang phía dưới của sơ đồ.
Khối đầu tiên bên trái hình vẽ là Anten băng rộng, khối này giống như cái cổng vào Vô tuyến thông minh, nó thực hiện điều khiển băng tần Vô tuyến thông minh hoạt động bằng tần số RF của nó. Một Vô tuyến thông minh có thể quét một băng tần tương đối rộng để đáp ứng với sự thay đổi của môi trường, và do đó, băng tần tổng cộng cho một Vô tuyến thông minh nhất định sẽ phụ thuộc vào các ứng dụng và dịch vụ của nó.
Trên hình vẽ, băng tần tổng cộng cho anten băng rộng được biểu thị bởi N i i f 1 . Băng
tần tổng cộng này phải được chia thành N phần, mỗi phần được gán một SDR nhất
định để hoạt động.
Sau anten băng rộng, bộ ghép song công sẽ điều khiển anten chia sẻ với các tín hiệu thu và phát để có thể tách hiệu quả các tín hiệu đi vào và tín hiệu ra ngoài. Khối
lựa chọn tần số động DFS đã được đưa vào để tránh các tín hiệu radar của mạng IEEE
802.11a hoạt động trong băng 5 GHz U-NII, và ở đây DFS liên quan tới quá trình lựa chọn tần số tự động, nhằm đạt được một số mục tiêu nhất định (như tránh nhiễu có hại ảnh hưởng tới hệ thống vô tuyến với độ ưu tiên cao hơn) trong Vô tuyến thông minh.
Anten băng rộng Bộ ghép song công Cổng định thời Điều khiển công suất phát (TPC) Bộ tổng hợp thích ứng Phát hiện thuê bao được cấp phép
(IPD) L ựa c họ n tầ n số đ ộn g (D F S ) Tự cấu hình thông tin/ Phối hợp lựa chọn SDR-1 (∆f1) SDR-1 (∆f2) SDR-1 (∆fN) Nhiều anten Đầu ra Đầu vào Băng tần = å∆fi
Hình 1.11. Sơ đồ khối thực hiện Vô tuyến thông minh dựa trên SDR.
Có N khối SDR hoạt động song song trong module máy thu ở Hình 1.11, và
mỗi khối sẽ đảm nhiệm một phần băng tần riêng. Lí do sử dụng nhiều SDR song song, thay vì sử dụng một SDR, là lượng dữ liệu cần xử lí trong mỗi phần băng tần khác nhau (fi, trong đó i=1, …, N), trước khi thực hiện bất kì loại quyết định “thông minh” nào trong Vô tuyến thông minh, là rất lớn. Mặt khác, chúng ta cũng có thể thực hiện một Vô tuyến thông minh chỉ sử dụng một khối SDR duy nhất. Tuy nhiên, trong trường hợp này, SDR đó yêu cầu phải có năng lực xử lí cao để thực hiện tất cả các việc xử lí dữ liệu trong một khoảng thời gian đủ ngắn.
Tất cả dữ liệu đầu ra sau đó sẽ được đưa đến một khối, khối này có nhiệm vụ đưa ra các quyết định thông minh. Các quyết định này bao gồm việc lựa chọn và kết hợp các thông tin đã phát hiện được, nhằm có được các thông tin ở đầu ra mà ta thực sự muốn.
Trong Hình 1.11, module máy phát thực hiện nhiệm vụ gửi thông tin. Bộ tổng
hợp thích ứng (Adaptive Synthesizer) có nhiệm vụ tạo ra sóng mang tham khảo chính
xác để thực hiện quá trình điều chế và hoạt động biến đổi nâng tần. Để làm được như vậy, module máy phát cũng cần các thông tin hữu ích từ khối IPD, khối này cung cấp biểu đồ định vị tần số sóng mang hiện thời, thời gian biểu chương trình của máy cấp phổ, và các thông tin về công suất phát,… Thông tin này cần thiết để xác định mức công suất phát chính xác để đảm bảo việc truyền từ Vô tuyến thông minh không gây nhiễu với những người dùng đã hoạt động. Các chức năng tương tự sẽ được thực hiện trong khối Cổng định thời (Timing Gate), khối này điều khiển các khe thời gian
Kiến trúc phân lớp chung cho sơ đồ Vô tuyến thông minh chỉ ra trong Hình 1.11 được minh họa trong Hình 1.12, trong đó chỉ có hai lớp (vật lí và liên kết dữ liệu) được trình bày chi tiết vì tất cả các lớp cao hơn khác là các ứng dụng phụ thuộc và do đó ta không cần quan tâm ở đây.
Các lớp cao hơn Giao thức quản lí kết nối Giao thức MAC Giao thức quản lí nhóm Lớp con hội tụ Ngăn xếp WWAN Ngăn xếp WLAN Ngăn xếp WPAN Lớp liên kết dữ liệu
Truyền dữ liệu Quét phổ Đo đạc kênh Điều khiển công suất truyền Phát hiện người dùng chính Lớp Vật lí C ác k ên h đi ều k hi ển n hó m
Hình 1.12. Kiến trúc phân lớp tổng quát cho Vô tuyến thông minh
Quét phổ (Spectrum scanning) là một trong những chức năng quan trọng nhất ở
lớp PHY của Vô tuyến thông minh. Ở đây, tất cả vùng phổ của toàn bộ băng tần hoạt động đều được quét. Việc quét này phải được thực hiện để lưu lại các chu kì của tần số sóng mang, cho phép Vô tuyến thông minh có thể tìm được đúng khe thời gian trong tần số sóng mang đúng để gửi dữ liệu. Điều này sẽ đòi hỏi khả năng xử lí băng tần phổ rộng và sau đó là thực hiện phân tích thời gian, không gian và phổ. Vô tuyến thông minh cần trao đổi các thông tin cảm nhận trong vùng nó hoạt động để phát hiện ra những người dùng đang gây nhiễu lẫn nhau một cách tối ưu. Việc hợp tác giữa những người dùng vô tuyến thông minh khác nhau trong cùng một nhóm truyền thông sẽ rất quan trọng để ước tính chính xác nhiễu.
Đo lường kênh (Channel measurement) phải được sử dụng để xác định chất
lượng của các kênh đã quét được chia sẻ với nhiều người dùng chính. Các thông số kênh này (như công suất phát, tốc độ bít, …) phải được xác định dựa trên các kết quả đo lường kênh.
Vô tuyến thông minh phải có khả năng hoạt động tại tốc độ truyền dữ liệu, dạng điều chế biến đổi, các sơ đồ mã hóa kênh khác nhau, và truyền các mức công suất khác nhau. Hệ thống MIMO cũng có thể được sử dụng để triệt nhiễu không gian và tăng
nâng cao hiệu quả băng tần và hiệu quả phát hiện. Các chức năng khác của PHY, như TPC và IPD, … đã được đề cập ở các phần trước nên ta sẽ không trình bày ở đây.
Lớp liên kết dữ liệu gồm ba khối chính, bao gồm Giao thức quản lí nhóm, Giao
thức điều khiển truy nhập phương tiện (MAC), và Giao thức quản lí kết nối. Giả sử
rằng bất kì một người dùng thông minh nào cũng đều thuộc một nhóm người dùng thông minh cấp nhất định. Giao thức quản lí nhóm sẽ được sử dụng để phối hợp tất cả những người dùng thông minh trong cùng một nhóm. Bất kì người dùng mới nào cũng có thể lấy thông tin cần thiết về nhóm khi tham gia vào một nhóm nhất định. Giao thức liên kết dữ liệu được sử dụng để lựa chọn một kênh phù hợp để tạo ra kết nối truyền thông. Lựa chọn này nên được thực hiện dựa trên các thông tin lấy được từ việc quét phổ và IPD. Một khi kết nối thứ cấp (secondary link) được thiết lập, các giao thức liên kết dữ liệu có trách nhiệm duy trì kết nối. Giao thức MAC hoạt động dựa trên các thông tin đạt được từ PHY, như “quét phổ” và “IPD”… Giao thức MAC quyết định cách thức truy nhập vào kênh, phụ thuộc vào kiểu kênh chia sẻ hoạt động bởi người dùng chính.
Lớp con hội tụ (Convergence Sublayer) trong lớp liên kết dữ liệu cung cấp một kĩ
thuật phối hợp trong Vô tuyến thông minh để hoạt động trong các môi trường không dây khác nhau, như WWAN, WLAN, và WPAN, …
1.7. Kết luận chương 1
Sự ra đời và phát triển của Vô tuyến thông minh đã giải quyết được những hạn chế trong sử dụng phổ tần hiện nay. Công nghệ truy nhập phổ tần động cho phép Vô tuyến thông minh hoạt động tốt nhất trong kênh có sẵn. Chương 1 đã trình bày tổng quan về Công nghệ Vô tuyến thông minh gồm định nghĩa, các nhiệm vụ chính như:
- Cảm nhận phổ: xác định các phần phổ sẵn có và phát hiện ra người dùng được
cấp phép khi người dùng đó hoạt động trong băng cấp phép. - Quyết định phổ: lựa chọn kênh tốt nhất có sẵn.
- Chia sẻ phổ: đồng truy nhập tới các kênh đó với những người dùng khác.
- Dịch chuyển phổ: bỏ kênh đó khi phát hiện đã có người dùng được cấp phép
hoặc điều kiện kênh xấu.
Ngoài ra, Chương 1 cũng đã trình bày hoạt động của Vô tuyến thông minh thông qua chu trình thông minh, kiến trúc ngăn xếp cũng như kiến trúc vật lý của Vô tuyến thông minh.
CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO (OFDM)
2.1. Giới thiệu chương
Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit và sử dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây hơn 30 năm. Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao – OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang, tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn được truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền. OFDM là một phương thức điều chế lý tưởng cho các kênh có đáp tuyến tần số không bằng phẳng.
Chương này sẽ giới thiệu về khái niệm, các nguyên lý cơ bản, và các kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM. Đặc biệt, ta cũng sẽ phân tích kỹ về kỹ thuật truyền dẫn OFDM không liên tục (NC-OFDM) mà được ứng dụng chính trong Vô tuyến thông minh. Đồng thời phân tích và so sánh hiệu năng của NC-OFDM với các phương thức truyền dẫn khác. Cuối chương sẽ đề cập tới một vài ưu nhược điểm của hệ thống OFDM.
2.2. Khái niệm OFDM
OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang. Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí hiệu. Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống. Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang con.
2.3. Nguyên lý cơ bản của OFDM
Nguyên lý cơ bản của hệ thống OFDM là phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao (Băng thông W) thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp và sau đó truyền chúng đồng thời qua nhiều sóng mang con. Một giá trị đủ lớn của N tạo ra băng thông đơn lẻ (W/N) của các sóng mang con hẹp hơn băng thông nhất quán của kênh (Bc). Các sóng mang đơn lẻ chỉ có fading phẳng và điều này có thể được bù đắp cho việc sử dụng một bộ cân