Phân tích hiệu năng các kỹ thuật cảm nhận phổ tần dựa vào phát hiện nhất quán, phát hiện năng lượng, phát hiện đặc trưng trong mạng vô tuyến khả tri đơn băng SB-CRN.. Vô tuyến khả tri th
Trang 1HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA VIỄN THÔNG I - -
MÔN HỌC CÁC MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
Đề tài :
“Vô tuyến khả tri và phân tích hiệu năng cảm nhận phổ tần”
Giảng viên: THẦY NGUYỄN VIẾT ĐẢM
Hà Nội, tháng 5/2022
Trang 22 | P a g e
Mục lục
A Vô tuyến khả tri 3
Câu 1: Trình bày ý tưởng và khái niệm vô tuyến khả tri ? 3
Câu 2: Trình bày chu trình nhận thức trong mạng vô tuyến khả tri CRN 4
Câu 3: Trình bày tóm tắt mô hình kiên trúc hệ thống vô tuyến khả tri 5
Câu 4: Trình bày tóm tắt chức năng và hoạt động của hệ thống vô tuyến khả tri 6 Câu 5: Trình bày tóm tắt kiến trúc vật lý của hệ thống vô tuyến khả tri 9
Câu 6: Trình bày sơ đồ khối thực hiện vô tuyến khả tri CR dựa trên SDR 11
Câu 7 : Trình bày các thành phần cơ bản của vô tuyến khả tri CR để lựa chọn tần số động 13
B Phân tích hiệu năng các kỹ thuật cảm nhận phổ tần dựa vào phát hiện nhất quán, phát hiện năng lượng, phát hiện đặc trưng trong mạng vô tuyến khả tri đơn băng SB-CRN 14
I Các kĩ thuật cảm nhận phổ tần đơn băng 14
1 Phát hiện nhất quán 14
2 Phát hiện năng lượng 15
3 Phát hiện đặc trưng 15
II Hiệu năng các kĩ thuật cảm nhận phổ tần 16
Trang 33 | P a g e
A Vô tuyến khả tri
Câu 1: Trình bày ý tưởng và khái niệm vô tuyến khả tri ?
Vô tuyến khả tri CR (Congitive Radio) là một công nghệ mới, được nghiên cứu để cho phép đầu cuối vô tuyến có thể cảm nhận, nhận biết và sử dụng linh hoạt bất kì phổ tần số vô tuyến hiện hữu nào tại thời điểm đã định
❖ Ý tưởng
Tần số vô tuyến là một tài nguyên khan hiếm, Mặc dù phổ tần ngày càng khan hiếm nhưng hiệu suất sử dụng phổ tần lại thấp Theo Ed Thomas “ Nếu xét toàn bộ giải tần số vô tuyến từ 0 đến 100 GHz và quan trắc ở một thời gian và không gian
cụ thể, thì chỉ có từ 5% đến 10% lượng phổ tần được sử dụng” Như vậy, hơn 90%
tài nguyên phổ tần vô tuyến bị lãng phí, không được sử dụng triệt để
Do vậy yêu cầu bức thiết đặt ra là sử dụng hết, sử dụng hiệu quả và sử dụng triệt để tài nguyên khan hiếm này Vô tuyến khả tri giải quyết vấn đề này
❖ Khái niệm
Định nghĩa “vô tuyến khả tri” được nhìn nhận theo rất nhiều cách khác nhau Vô tuyến khả tri thường được coi là “…một vô tuyến có thể nhận biết được môi trường xung quanh và thích ứng một cách khả tri”, nghĩa là vô tuyến khả tri là một thiết bị vô tuyến linh hoạt và có khả năng nhận thức (khả tri), có thể thích ứng các tham số của nó theo sự thay đổi của môi trường, theo yêu cầu của người dùng và các yêu cầu của những người dùng vô tuyến khác cùng chia sẻ môi trường phổ
Trang 44 | P a g e
Câu 2: Trình bày chu trình nhận thức trong mạng vô tuyến khả tri CRN
Chu trình nhận thức của CR
Ta tóm tắt ba bước cơ bản trong chu trình thông minh: cảm nhận phổ, phân tích phổ và quyết định phổ như sau:
1 Cảm nhận phổ: Vô tuyến khả tri giám sát các băng phổ khả dụng, nắm bắt
các thông tin của chúng và sau đó phát hiện ra các hố phổ
2 Phân tích phổ: Các đặc tính của hố phổ có được thông qua cảm nhận phổ sẽ
được ước tính
3 Quyết định phổ: Vô tuyến khả tri quyết định tốc độ dữ liệu, chế độ truyền và
băng tần truyền Sau đó, băng phổ phù hợp sẽ được chọn thông qua các đặc tính phổ và yêu cầu của người dùng
Một khi băng phổ hoạt động đã được quyết định, thì việc truyền thông có thể được thực hiện qua băng phổ này Tuy nhiên, vì môi trường vô tuyến thay đổi theo thời gian và không gian, nên vô tuyến khả tri phải theo dõi những thay đổi của môi trường vô tuyến Nếu băng phổ hiện đang sử dụng trở nên rỗi, thì chức năng dịch chuyển phổ, được thực hiện để cung cấp việc truyền liên tục Bất kì thay đổi nào của môi trường trong suốt quá trình truyền như xuất hiện người dùng sơ cấp, hoạt động của người dùng hoặc sự biến đổi lưu lượng đều phải được điều chỉnh kịp thời
Trang 55 | P a g e
Câu 3: Trình bày tóm tắt mô hình kiên trúc hệ thống vô tuyến khả tri
Mô hình kiến trúc hệ thống vô tuyến khả tri :
Kiến trúc vô tuyến khả tri (CR) dựa trên cơ sở kiến trúc vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) Có thể thực hiện được hoàn toàn chỉ dựa trên những thay đổi ở cấu trúc phần mềm mà không phải thay đổi cấu trúc phần cứng
Để triển khai CR từ SDR, chỉ cần thêm vào SDR các khối xử lí thông minh như
chủ yếu của CR so với vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm SDR là khả năng khả tri (khả năng nhận thức), tự động thích ứng nhanh 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 khả tri CR 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 khả tri CR thích ứng với môi trường phổ, trong khi SDR lại thích ứng với môi trường mạng, và chúng có một phần chồng lên nhau về chức năng
Trang 66 | P a g e
Câu 4: Trình bày tóm tắt chức năng và hoạt động của hệ thống vô tuyến khả tri
❖ Chức năng
Vô tuyến khả tri (CR) có khả năng chiếm dụng hoặc chia sẻ phổ theo cơ hội trong môi trường phổ tần động Công nghệ truy nhập phổ tần động cho phép CR hoạt động trong kênh khả dụng nhất
Đặc biệt, công nghệ CR cho phép:
(i) Xác định các phần phổ tần khả dụng và phát hiện sự hoạt động (sự tồn tại) của PU (cảm nhận phổ tần);
(ii) Lựa chọn, chiếm dụng kênh khả dụng nhất (quản lí phổ);
(iii) Đồng truy nhập vào các kênh với những người dùng khác (chia sẻ phổ); (iv) Hoàn trả kênh khi phát hiện người dùng được cấp phép PU (dịch chuyển phổ)
→ Tóm lại các chức năng cơ bản của vô tuyến khả tri :
• Cảm nhận phổ: Phát hiện ra phổ tần không sử dụng và chia sẻ phổ mà không
gây nhiễu tới những người dùng khác
• Quản lí phổ: Chiếm giữ phần phổ tần khả dụng nhất để đáp ứng yêu cầu
truyền thông của người dùng
• Dịch chuyển phổ: Bảo đảm các yêu cầu truyền thông không bị ngắt quãng
trong lúc chuyển tới phổ tần tốt hơn
• Chia sẻ phổ: Cung cấp phương pháp lập lịch phổ tần hợp lí giữa nhiều người
dùng khả tri SU/CU đang cùng tồn tại
Các chức năng của CRN cho phép các giao thức truyền thông nhận biết phổ Tuy nhiên, sử dụng phổ tần động có thể gây ra bất lợi đến hiệu năng của các giao thức truyền thông truyền thống (đã được triển khai trên các băng tần số cố định)
❖ Hoạt động
Mạng vô tuyến khả tri (CRN) có thể hoạt động trong cả băng cấp phép và không được cấp phép Do đó, các chức năng thiết yếu đối với CRN khác nhau tùy theo
phổ đó là cấp phép hay không
Trên băng cấp phép :
Tồn tại các hố phổ trong băng phổ được cấp phép Do đó, các mạng vô tuyến khả tri CRN có thể để khai thác các hố phổ này thông qua các công nghệ khả tri
Trang 77 | P a g e
Mạng vô tuyến khả tri hoạt động trên băng cấp phép được minh họa, trong đó CRN cùng tồn tại với các mạng sơ cấp tại cùng một vị trí và trên cùng một băng phổ Tồn tại nhiều thách thức khi thực hiện các CRN trên băng cấp phép vì sự tồn tại của những người dùng sơ cấp PU Mặc dù, mục đích chính của CRN là xác định phổ tần khả dụng, nhưng các chức năng của CR trong băng cấp phép lại bao gồm phát hiện sự hiện hữu của các người dùng sơ cấp PU
Dung lượng kênh của các hố phổ phụ thuộc vào nhiễu xung quanh những người
tuyến khả tri chiếm, thì người dùng vô tuyến khả tri lập tức phải hoàn trả lại phổ và
chuyển tới phổ khả dụng khác (chuyển giao phổ)
Trên băng không được cấp phép :
Tất cả thực thể trong mạng có quyền như nhau khi truy nhập tới các băng phổ Nhiều CRN cùng tồn tại trong một vùng giống nhau và truyền thông sử dụng cũng một phần phổ như nhau
Trong kiến trúc này, những người dùng vô tuyến khả tri tập trung vào phát hiện
băng cấp phép, việc chuyển giao phổ không được kích hoạt bởi sự có mặt của những người dùng sơ cấp khác.
Trang 88 | P a g e
Tuy nhiên, vì tất cả những người dùng vô tuyến khả tri có quyền truy nhập phổ như nhau, nên họ phải cạnh tranh với nhau trong cùng băng không được cấp phép
Do đó, kiến trúc này đòi hỏi các phương pháp chia sẻ phổ phức tạp giữa những người dùng vô tuyến khả tri Nếu nhiều mạng vô tuyến khả tri nằm trong cùng một băng không được cấp phép thì phải có phương pháp chia sẻ phổ phù hợp giữa các mạng này
Trang 99 | P a g e
Câu 5: Trình bày tóm tắt kiến trúc vật lý của hệ thống vô tuyến khả tri
Thành phần chính của máy thu/phát CR là đầu cuối vô tuyến RF (RF front-end) và khối xử lí băng gốc Trong đầu cuối RF, tín hiệu thu được được khuếch đại, được trộn và được chuyển đổi A/D Trong khối xử lí băng gốc, tín hiệu được điều chế/giải điều chế, được mã hóa/giải mã Khối xử lí băng gốc của CR về bản chất cũng tương tự như máy thu/phát hiện thời Tuy nhiên, điểm mới ở vô tuyến khả tri
là đầu cuối RF
Điểm mới của máy thu phát CR là khả năng cảm nhận phổ băng rộng của đầu cuối
RF Chức năng này liên quan tới các công nghệ phần cứng RF như anten băng rộng, khuếch đại công suất, và bộ lọc thích ứng Phần cứng RF cho CR có khả năng điều chỉnh trong các băng của dải phổ tần rộng Cảm nhận phổ cũng cho phép việc đo lường trong thời gian thực các thông tin phổ từ môi trường vô tuyến
❖ Các thành phần cơ bản về đầu cuối RF trong CR là:
+ Bộ lọc RF: Bộ lọc RF lựa chọn băng mong muốn bằng cách bỏ qua việc lọc tín hiệu RF nhận được
Trang 1010 | P a g e
+ Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA): LNA khuếch đại tín hiệu mong muốn trong khi đồng thời giảm thiểu các thành phần tạp âm
+ Bộ trộn: tín hiệu thu được trộn với tần số RF nội, và được chuyển đổi thành tần số băng gốc hoặc tần số trung tần (IF)
+ Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO): VCO tái tạo tín hiệu tại một tần sốnhất định với điện áp cho trước để trộn với tín hiệu tới Quá trình này chuyển đổi tín hiệu tới thành tần số băng gốc hoặc tần số trung tần
+ Vòng khóa pha (PLL): PLL đảm bảo tín hiệu được khóa ở một tần số nhất định và cùng vưới VCO tạo ra các tần số chính xác
+ Bộ lọc lựa chọn kênh: Bộ lọc lựa chọn kênh để lựa chọn kênh mong muốn
và loại bỏ các kênh lân cận Có hai loại bộ lọc lựa chọn kênh Máy thu chuyển đổi trực tiếp sử dụng bộ lọc thông thấp để lựa chọn kênh, còn máy thu superheterodyne lại sử dụng bộ lọc thông dải
+ Mạch tự động điều chỉnh độ lợi (AGC): AGC duy trì độ lợi hoặc mức công suất đầu ra của bộ khuếch đại không đổi trên một dải rộng các mức công suất đầu vào
→ Trong kiến trúc này, tín hiệu băng rộng được nhận thông qua đầu cuối RF, được lấy mẫu bởi bộ chuyển đổi tương tự-số (A/D) tốc độ cao, và việc đo đạc được thực hiện để phát hiện ra tín hiệu của người dùng được cấp phép Tuy nhiên, còn tồn tại nhiều thách thức/hạn chế trong việc thực hiện đầu cuối của vô tuyến khả tri
Anten RF băng rộng thu nhận tín hiệu từ các máy phát tại các mức công suất, các băng tần và các vị trí khác nhau Hệ quả là, đầu cuối RF phải có khả năng phát hiện
độ cao (vài GHz) với độ phân giải cao.
Thách thức chủ yếu của kiến trúc vật lí của vô tuyến khả tri là phát hiện chính xác các tín hiệu yếu của những người dùng được cấp phép qua một dải phổ rộng và
đề hàng đầu trong các CRN.
Trang 1111 | P a g e
Câu 6: Trình bày sơ đồ khối thực hiện vô tuyến khả tri CR dựa trên SDR
Để triển khai CR từ SDR, chỉ cần thêm vào SDR các khối xử lí thông minh như
chủ yếu của CR so với vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm SDR là khả năng khả tri (khả năng nhận thức), tự động thích ứng nhanh với sự thay đổi của môi trường vô tuyến.
Anten băng rộng, là cổng vào vô tuyến khả tri hoạt động trên các băng tần vô RF,
có khả năng quét băng tần rộng phù hợp với sự thay đổi của môi trường phổ
Bộ ghép song công cho phép phân phân tách tín hiệu thu/phát RF
trường phổ tần động, và giảm thiểu nhiễu
Các khối SDR hoạt động đồng thời, và mỗi khối đảm nhiệm một phần băng tần
tổng Việc nhiều SDR đồng hoạt động (thay vì sử dụng một SDR), làm gia tăng tính
linh hoạt về xử lý dữ liệu cũng như tận dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến của CR trong môi trường phổ tần động
Tất cả dữ liệu đầu ra sau đó sẽ được hợp lại thành một khối, khối này có nhiệm vụ đưa ra các quyết định thông minh
Bộ tổng hợp thích ứng tạo ra sóng mang, thực hiện điều chế và biến đổi nâng tần
Module máy phát cũng cần các thông tin từ khối IPD như: biểu đồ định vị tần số
Trang 1212 | P a g e
sóng mang hiện thời, công suất phát (để xác định mức công suất phát, giảm thiểu nhiễu) IPD là khả năng để phát hiện người dùng sơ cấp dựa trên một thông tin phổ đặc biệt Phát hiện lịch sử chiếm dụng tài nguyên vô tuyến (IPD) có những đặc tính
cơ bản: nhận biết các tần số, các kênh không sử dụng hoặc ít sử dụng;
ứng dựa trên sự thay đổi của môi trường phổ
Trang 1313 | P a g e
Câu 7 : Trình bày các thành phần cơ bản của vô tuyến khả tri CR để lựa chọn tần số động
Khối thu thập dữ liệu phổ (khối 1): Lựa chọn tần số động yêu cầu khả năng cảm
nhận băng rộng, thời gian thực của môi trường phổ Đây là quá trình lấy mẫu kênh
để xác định kênh nào còn trống, kênh nào đã sử dụng Một vài thông số liên quan ở quá trình này là độ nhạy máy thu, thời gian lấy mẫu và khoảng lấy mẫu, các mức ngưỡng để tách tạp âm băng rộng ra khỏi tín hiệu
Khối chức năng phân tích dữ liệu (khối 2): đánh giá, phân tích dữ liệu phổ và đưa
ra quyết định về tính khả dụng của kênh Quá trình phát hiện này bao gồm việc phân loại dữliệu, và sử dụng thông tin thu thập để xác định kênh có được sử dụng bởi một dịch vụ hay hệ thống truyền thông khác Quá trình phát hiện này cũng bao gồm việc thông tin với các tập con của các node lân cận vì rất có thể ở một đầu của kết nối thì kênh đó rỗi, nhưng ở đầu kia của kết nối thì kênh đó lại không còn rỗi nữa Đối với một số phân hệ di động, việc thông tin này có thể yêu cầu dùng kênh hoa tiêu băng hẹp
Khối đáp ứng ( khối 3 ) : Định hình các đáp ứng với môi trường phổ ( chọn tần số
và dạng sóng thích hợp để sử dụng ) Điều này dẫn tới cần phải có khối thích ứng với sự thay đổi của mạng (Khối 4)
Khối thích ứng ( khối 4) : Chuyển mạng tới băng tần chọn mới
Trang 1414 | P a g e
B Phân tích hiệu năng các kỹ thuật cảm nhận phổ tần dựa vào phát hiện nhất quán, phát hiện năng lượng, phát hiện đặc trưng trong mạng vô tuyến khả tri đơn băng SB-CRN
I Các kĩ thuật cảm nhận phổ tần đơn băng
Bài toán cảm nhận phổ tần được mô tả bởi thử nghiệm giả thuyết nhị phân sau:
là ma trận đơn vị
Điển hình, để quyết định giữa hai giả thuyết, ta so sánh kiểm nghiệm thống kê với ngưỡng tiền định như sau:
Trong đó T(y) là kiểm nghiệm thống kê (thường là kiểm nghiệm tỉ lệ khả năng giống likelihood LRT
1 Phát hiện nhất quán
Khi SU biết chính xác về cấu trúc tín hiệu của PU (độ rộng băng tần, tần số hoạt động, loại điều chế, ), thì nó lấy tương quan tín hiệu thu với bản sao đã biết của tín hiệu PU như được minh họa ở hình dưới Kiểm nghiệm thống kê được cho bởi :
