Báo cáo môn học các mạng thông tin vô tuyến (19)

- Theo FCC: Vô tuyến khả tri là một hệ thống có khả năng cảm biến môi trường xung quanh và điều chỉnh các các tham số hoạt động của nó để tối ưu hoá hệ thống dưới dạng: tối đa băng thôn

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG I

BÀI TẬP

CÁC MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Đề tài:

“Mạng vô tuyến khả tri”

Giảng viên : Nguyễn Viết Đảm Sinh viên : Nguyễn Khắc Anh

Mã sinh viên : B18DCVT017 Ngày nộp : 24/04/2022

Hà Nội – 2022

- -

1

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 2

1 Ý tưởng và khái niệm vô tuyến khả tri 3

2 Mô hình kiến trúc hệ thống vô tuyến khả tri 3

3 Chức năng và hoạt động của vô tuyến khả tri 4

4 Kiến trúc vật lý hệ thống vô tuyến khả tri 6

5 Sơ đồ khối thực hiện vô tuyến khả tri CR dựa trên SDR 8

6 Các thành phần cơ bản của vô tuyến khả tri CR để lựa chọn tần số động 9 7 Chu trình nhận thức mạng vô tuyến khả tri CRN 9

8 Ứng dụng của vô tuyến khả tri 14

2

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2 1: Kiến trúc mạng vô tuyến khả tri CRN 3

Hình 3 1: Mạng vô tuyến khả tri hoạt động trên băng cấp phép 5

Hình 3 2: Mạng vô tuyến khả tri hoạt động trên băng không được cấp phép 6

Hình 4 1: Máy thu/phát của vô tuyến khả tri 6

Hình 4 2: Kiến trúc đầu cuối RF băng rộng 7

Hình 5 1: Sơ đồ khối thực hiện vô tuyến khả tri CR dựa trên SDR 8

Hình 7 1: Chu trình nhận thức 10

3

1 Ý tưởng và khái niệm vô tuyến khả tri

 Ý tưởng: Theo một số khảo sát thì hiệu suất sử dụng phổ tần còn thấp, để tiết kiệm

tài nguyên phổ tần và tránh lãng phí thì ý tưởng về mạng vô tuyến khả tri được đề

xuất để giải quyết vấn đề này

 Khái niệm: Vô tuyến khả tri là vô tuyến có thể nhận biết được môi trường xung quanh và thích ứng một cách có khả tri, một cách có nhận thức

- Theo FCC: Vô tuyến khả tri là một hệ thống có khả năng cảm biến môi

trường xung quanh và điều chỉnh các các tham số hoạt động của nó để tối ưu hoá hệ thống dưới dạng: tối đa băng thông, giảm can nhiễu, truy nhập phổ tần động

- Theo giáo sư Simon Hayskin: Vô tuyến khả tri là một hệ thống truyền thông

không dây thông minh, có khả năng nhận biết được môi trường xung quanh,

và từ môi trường nó sẽ thích nghi với sự thay đổi của môi trường bằng cách thay đổi các thông số tương ứng trong thời gian thực

- Theo IEEE: Vô tuyến khả tri là hệ thống phát/nhận tần số vô tuyến mà được

thiết kế để phát hiện một cách thông minh vùng phổ đang được chiếm dụng hay không và nhảy qua một khoảng phổ tạm thời không sử dụng khác

2 Mô hình kiến trúc hệ thống vô tuyến khả tri

Hình 2 1: Kiến trúc mạng vô tuyến khả tri CRN

4

 Mạng sơ cấp (Primary network): mạng này được cấp phép (có quyền) truy nhập

vào các băng tần nhất định như: mạng TV quảng bá, mạng tế bào,.v,v Các thành phần cơ bản của mạng sơ cấp gồm:

- Người dùng sơ cấp (Primary user): Người dùng sơ cấp PU (người dùng được

cấp phép) được cấp phép để hoạt động trong một băng tần nhất định Truy nhập này chỉ được giám sát bởi trạm gốc sơ cấp và không bị ảnh hưởng bởi hoạt động của người dùng không được cấp phép

- Trạm gốc sơ cấp (Primary base-station): Trạm gốc sơ cấp (trạm gốc được

cấp phép) là thành phần cơ sở hạ tầng mạng được cố định, có giấy phép phổ, như BTS trong mạng tế bào Trạm gốc sơ cấp không nhất 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 không được cấp phép) không có giấy phép để hoạt động trong một băng mong muốn Do đó, nó chỉ được phép truy nhập phổ khi

có cơ hội Các thành phần cơ bản của CRN gồm:

- Người dùng vô tuyến khả tri: Người dùng vô tuyến khả tri SU/CU (người

dùng xG, người dùng không được cấp phép, người dùng thứ cấp) không có giấy phép sử dụng phổ

- Trạm gốc vô tuyến khả tri: là thành phần cơ sở hạ tầng cố định với các khả

năng của vô tuyến khả tri, cung cấp kết nối đơn chặng tới những người dùng

vô tuyến khả tri SU/CU mà không cần giấy phép truy nhập phổ, người dùng

vô tuyến khả tri có thể truy nhập đến các mạng khác

- Bộ phân chia phổ: Bộ phân chia phổ (server lập lịch) là một thực thể mạng

trung tâm đóng vai trò trong việc chia sẻ tài nguyên phổ tần giữa các mạng

vô tuyến khả tri khác nhau, có thể kết nối với từng mạng với tư cách là quản

ly thông tin phổ nhằm cho phép CRN đồng hoạt động với các mạng sơ cấp khác

3 Chức năng và hoạt động của vô tuyến khả tri

 Vô tuyến nhận thức có 4 chức năng chính

- Cảm biến phổ (Spectrum sensing): Phát hiện ra phổ tần không sử dụng và chia sẻ phổ mà không gây nhiễu tới những người dùng khác

5

- Quản lí phổ (Spectrum management): Sau khi cảm biến phổ và quyết định được khoảng phổ nào trống, CR tiến hành việc quản lí để chọn ra khoảng phổ nào là tối ưu, đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng trong mạng thông tin như QoS (Quality of service) Chức năng này có thể chia làm 2 bước: phân tích phổ và quyết định phổ

- Sử dụng phổ linh hoạt (Spectrum mobility): CR có thể linh hoạt thay đổi tần

số đang sử dụng để chuyển qua một tần số sẵn có khác mà có thể cải thiện được chất lượng của mạng thông tin nhằm đạt được chất lượng tốt nhất có thể

- Chia sẻ phổ (Spectrum Sharing): Trong một mạng thông tin không chỉ có 1

mà rất nhiều CR cùng hoạt động Do vậy cần phải có chức năng chia sẻ phổ giữa các CR để có thể cùng sử dụng dải băng tần một cách công bằng, hợp lí tránh đụng độ nhau

 Hoạt động

- Trên băng cấp phép: CRN cùng tồn tại với các mạng sơ cấp tại cùng một vị

trí và trên cùng một băng phổ, mục đích chính 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 dùng sơ cấp PU Do đó, việc tránh nhiễu lên PU là vấn đề quan trọng nhất trong kiến trúc này

Hình 3 1: Mạng vô tuyến khả tri hoạt động trên băng cấp phép

- Trên băng không được cấp phép: Nhiều CRN cùng tồn tại trong một vùng

giống nhau và truyền thông sử dụng cũng một phần phổ như nhau Các thuật toán chia sẻ phổ khả tri có thể cải thiện hiệu quả sử dụng phổ và hỗ trợ QoS

6

cao Những người dùng vô tuyến khả tri tập trung vào phát hiện việc truyền của những người dùng vô tuyến khả tri khác Việc chuyển giao phổ không được kích hoạt bởi sự có mặt của những người dùng sơ cấp khác Kiến trúc này đòi hỏi các phương pháp chia sẻ phổ phức tạp giữa những người dùng

vô tuyến khả tri

Hình 3 2: Mạng vô tuyến khả tri hoạt động trên băng không được cấp phép

4 Kiến trúc vật lý hệ thống vô tuyến khả tri

Hình 4 1: Máy thu/phát của 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 Mỗi thành phần có thể tự cấu hình thông qua một bus điều khiển để thích ứng với môi trường RF biến đổi theo thời gian 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

7

Một xu hướng xử lý thông minh hóa đó là phải số hóa vì ta đưa được dữ liệu đó vào việc xử lý ở trong phần mềm cũng như kiến trúc máy tính Vì vậy phần đầu cuối RF Front-End tạo nên sự khác biệt và tiến bộ của CR

Hình 4 2: Kiến trúc đầu cuối RF băng rộng

Ưu điểm của phần RF Front-End trong hệ thống CR là khả năng cảm biến băng rộng,

có thể điều chỉnh đến bất cứ phần nào trong dải tần số rộng lớn Hơn nữa nó có thể đo lường các thông tin phổ từ môi trường để phục vụ cho chức năng cảm biến phổ Các bộ phận chính của khối RF Front-End gồm có:

+ Bộ lọc RF (RF Filter): có tác dụng chọn được khoảng băng thông mong muốn bằng

cách cho tín hiệu qua bộ lọc thông dải

+ LNA (Low noise amplifier): bộ khuếch đại tạp âm nhỏ có tác dụng: loại nhiễu tần

số ảnh, khuếch đại nhiễu thấp tín hiệu nhỏ ngõ vào của máy thu tới mức cần thiết

để đổi tần, tăng độ nhạy máy thu LNA thường có từ một đến ba tầng khuếch đại tuyến tính, có điều hưởng chọn lọc tần số-băng thông tín hiệu mong muốn Có tác dụng khuếch đại tín hiệu mong muốn đồng thời giảm tín hiệu nhiễu

+ Bộ trộn MIXER: tại bộ đổi tần thì tín hiệu thu được từ máy thu sẽ được trộn với tần

số gốc được phát ra và được chuyển tới dải băng gốc hay tần số trung tần

+ VCO (Voltage_controlled oscillator): được biết đến như là bộ điều chỉnh tần số bằng

điện áp Có tác dụng như bộ khóa pha giúp tần số ra ổn định

+ Bộ lọc lựa chọn kênh (Channel selection filter): được dùng để chọn kênh mong

muốn đồng thời loại bỏ kênh kế cận Có hai cách để chọn kênh: direct convertion receiver và superheterodyne

8

+ AGC (Automatic gain control): là 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 hoặc giảm độ khuếch đại khi tín hiệu thu yếu hay mạnh bằng cách thay đổi điện áp phân cực

+ PLL (Phase locked loop): là hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu hồi tiếp được dùng

để khóa tần số và pha của tín hiệu ra theo tần số và pha của tín hiệu vào

5 Sơ đồ khối thực hiện vô tuyến khả tri CR dựa trên SDR

SDR có thể cung cấp một chức năng vô tuyến rất linh hoạt bằng cách tránh sử dụng các bộ phận và mạch tương tự cố định Vì vậy vô tuyến khả tri cần được thiết kế dựa trên SDR

Hình 5 1: Sơ đồ khối thực hiện vô tuyến khả tri CR dựa trên SDR

RF, có khả năng quét băng tần rộng phù hợp với sự thay đổi của môi trường phổ Ta biểu thị băng tần tổng đối với anten băng rộng là ∑𝑁𝑖=1∆𝑓𝑖, gồm N băng con, mỗi băng con được gán cho một SDR nhất 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

trong môi 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

9

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 sóng mang hiện thời, công suất phát

 Cổng định thời: định thời việc chiếm dụng phổ trống và phát tín hiệu

6 Các thành phần cơ bản của vô tuyến khả tri CR để lựa chọn tần số động

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

Các thành phần cơ bản của vô tuyến khả tri để lựa chọn tần số động

 Thu thập các dữ liệu về sử dụng phổ

- Quét phổ tần dải rộng, công suất thấp, theo thời gian thực

- Lưu các thông tin về quy định sử dụng phổ tần theo thời gian và không gian

 Phân tích dữ liệu

- Đánh giá các dữ liệu phổ tần theo thời gian thực

- Xác định dạng sóng truyền

sóng thích hợp để sử dụng)

 Thích ứng: Chuyển mạng tới băng tần chọn mới

7 Chu trình nhận thức mạng vô tuyến khả tri CRN

10

Hình 7 1: Chu trình nhận thức

Ba bước cơ bản trong chu trình thông minh: cảm nhận phổ, phân tích phổ và quyết định phổ

 Cảm nhận phổ (Spectrum sensing)

Mục tiêu: sử dụng hết tài nguyên môi trường vô tuyến (tài nguyên phổ tần, không gian và thời gian) Môi trường vô tuyến là môi trường hở, có tính động nhưng tài nguyên khan hiếm và mất an ninh

SS (Spectrum sensing) là chức năng đầu tiên và có vai trò quan trọng trong toàn bộ

hệ thống của CR SS sử dụng các phương pháp xử lí tín hiệu thu được để đưa ra quyết định

về dải tần số đang quan sát là trống hay là có xuất hiện tín hiệu PU Đây là chức năng quan trọng nhất bởi vì nó ảnh hưởng lớn đến quyết định sử dụng hay không sử dụng dải tần số đang quan sát Mạng CR cần dựa vào các điều kiện của môi trường để có thể cảm biến được dải phổ thích hợp, qua đó đưa ra quyết định chính xác về việc sử dụng dải phổ nào

để ko gây ảnh hưởng đến primary user

Trong hệ thống CR có thể chia SS ra làm 2 loại:

 Occupancy sensing (cảm biến sự chiếm giữ phổ): phát hiện sự chiếm giữ phổ

trong khu vực lân cận, qua đó xác định được dải phổ nào đang trống hoặc đang

ở dưới mức sử dụng Một ví dụ về Occupancy sensing là bộ phát hiện dựa vào năng lượng (Energy_based detection)

 Identity sensing (cảm biến các đặc trưng): phân biệt được dải phổ đang bị

chiếm giữ bởi primary user hay là đang bị chiếm giữ bởi một CR user khác

11

Một ví dụ về Identity sensing là cảm biến dựa vào đặc điểm(feature-based detection)

Có 2 yêu cầu cơ bản trong việc cảm biến phổ trong lớp vật lý đó là: chất lượng, độ tin cậy của quá trình cảm biến và thời gian cảm biến Chất lượng của quá trình cảm biến là khả năng phát hiện thành công của tín hiệu PU Quá trình phát hiện được đánh giá là không chất lượng khi chúng ta không phát hiện được tín hiệu PU hoặc nhầm tín hiệu PU với nhiễu của môi trường Thời gian cảm biến để phát hiện tín hiệu được yêu cầu càng nhỏ càng tốt

để có thể nhanh chóng phát hiện ra PU và thực hiện những nhiệm vụ tiếp theo

 Phân tích phổ

Phân tích phổ giúp hệ thống dễ dàng lựa chọn phổ mà đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng Vì vậy, việc xác định các thông số như mức độ nhiễu, tốc độ lỗi kênh truyền, suy hao…mà có thể đại diện cho chất lượng của một băng tần phổ là cần thiết

 Nhiễu xuyên kênh: Phổ được dùng để xác định đặc trưng nhiễu của kênh

truyền Từ số lượng nhiễu tại bộ nhận sơ cấp (PR), công suất cho phép của người dùng CR có thể được rút ra,từ đó có thể sử dụng để ước lượng dung lượng kênh truyền

 Suy hao: Suy hao sẽ gia tăng khi tần số hoạt động tăng Vì vậy, nếu công suất

truyền của người dùng CR vẫn không đổi thì khoảng truyền của nó sẽ giảm ở tần số cao hơn Nếu công suất truyền tăng để bù cho suy hao tăng thì kết quả

sẽ gây nhiễu cho người dùng khác

 Lỗi liên kết không dây: phụ thuộc vào cách điều chế và mức nhiễu của băng

tần phổ, tốc độ lỗi của kênh truyền sẽ thay đổi

 Trì hoãn lớp liên kết: để xác định suy hao, lỗi liên kết không dây và nhiễu

xuyên kênh thì có nhiều loại giao thức liên kết được yêu cầu tại những dãi phổ khác nhau Điều này dẫn đến sự trì hoãn của các gói truyền dẫn trong các lớp liên kết khác nhau

 Thời gian chiếm giữ: các hoạt động của PU thì có thể ảnh hưởng đến chất

lượng kênh truyền của hệ thống CR Thời gian giữ là khoảng thời gian mong đợi để một user trong hệ thống CR chiếm giữ 1 dãi tần số đư được đăng kí trước khi bị ngắt đi Thời gian chiếm giữ càng lâu thì chất lượng càng tốt

12

Dung lượng phổ được tính như sau:

𝑪 = 𝑩𝒍𝒐𝒈(𝟏 + 𝑺

𝑵 + 𝟏)

trong đó B là băng thông, S là công suất tín hiệu nhận từ CR user, N là công suất nhiễu của

bộ nhận, và I là công suất nhiễu xuyên kênh tại bộ nhận CR bị gây ra bởi sự truyền dẫn của

PU

Dung lượng phổ của mạng CR dựa vào OFDM được tính theo:

với Ω là tập hợp của các vùng phổ không sử dụng, G(f) là công suất khuyếch đại tại tần số

f, S0 và N0 là công suất của tín hiệu và nhiễu trên một đơn vị tần số

 Quyết định phổ

Dải phổ hoạt động thích hợp thì nên được thêm vào hệ thống truyền dẫn hiện tại mà thoả mãn các yêu cầu của QoS và các đặc trưng của phổ Vì vậy, hệ thống quản lý phổ có thể nhận biết được các yêu cầu của QoS Dựa trên những yêu cầu của người sử dụng thì tốc độ của dữ liệu, tốc độ lỗi có thể chấp nhận được, giới hạn trễ, cách thức truyền dẫn tín hiệu và băng thông của sự truyền dẫn có thể xác định được Sau đó,theo luật quy định, các thiết lập cho dải phổ tương thích cũng có thể được chọn

 Linh động phổ (Spectrum mobility)

Mục đích của hệ thống CR là sử dụng phổ tần số theo cách thức động, nghĩa là hệ thống CR sẽ tìm kiếm và hoạt động tại băng tần số tốt nhất Sự linh động phổ (spectrum mobility) được định nghĩa như là 1 cách thức mà người dùng trong hệ thống CR có thể thay đổi tần số hoạt động

Trong hệ thống CR, sự linh động phổ được thực hiện khi mà các điều kiện của kênh truyền trở nên xấu đi hay có sự xuất hiện của tín hiệu PU Sự linh động phổ sẽ tăng thêm các loại chồng phổ trong hệ thống CR và đó chính là mục đích của sự chồng phổ

 Chia sẻ phổ (Spectrum sharing)

Chia sẻ phổ có thể được coi như là tương tự với sự điều khiển truy cập bắt buộc (MAC) Có 4 bước để chia sẽ phổ như sau: