HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN
THƠNG KHOA VIỄN THƠNG I



Bài tập: Các mạng thông tin vô tuyến

Giảng viên: Nguyễn Viết Đảm
Sinh viên: Nguyễn Minh Tuấn
Mã sinh viên: B18DCVT382

Hà Nội, ngày 22 tháng 5 năm 2022
1


MỤC LỤC
Câu 1: Trình bày ý tưởng và khái niệm vô tuyến khả tri
1. Ý tưởng vô tuyến khả tri
2. Khái niệm vơ tuyến khả tri
Câu 2: Trình bày tóm tắt mơ hình kiến trúc hệ thống vơ tuyến khả tri
1. Mơ hình kiến trúc Vơ tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR)
2. Mơ hình kiến trúc Vơ tuyến khả tri (CR)
Câu 3: Trình bày tóm tắt chức năng và hoạt động của hệ thống vô tuyến khả tri
1. Chức năng của hệ thống vô tuyến khả tri
2. Hoạt động của hệ thống vơ tuyến khả tri
Câu 4: Trình bày tóm tắt kiến trúc vật lý của hệ thống vơ tuyến khả tri
1. Kiến trúc máy thu/phát của vô tuyến khả tri
2. Kiến trúc đầu cuối RF băng rộng
Câu 5: Trình bày chu trình nhận thức trong mạng vơ tuyến khả tri CRN
Câu 6: Trình bày sơ đồ khối thực hiện vô tuyến khả tri CR dựa trên SDR
Câu 7: Trình bày các thành phần cơ bản của vơ tuyến khả tri CR để lựa chọn

tần số động


Câu 1: Trình bày ý tưởng và khái niệm vơ tuyến khả tri
1. Ý tưởng vô tuyến khả tri
Ý tưởng vô tuyến khả tri là giải quyết các vấn đề về lãng phí phổ tần:
Tần số vơ tuyến là một tài nguyên khan hiếm được quản lý bởi các tổ chức viễn thơng
của chính phủ. Mặc dù phổ tần ngày càng khan hiếm nhưng hiệu suất sử dụng phổ tần
lại thấp. 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.
2. 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 vơ tuyến hiện hữu nào tại thời điểm đã định.
Tồn tại một số định nghĩa về vơ tuyến khả tri như:
•

Theo FCC: Vơ tuyến khả tri là vơ tuyến có thể thay đổi các thông số truyền

dựa trên sự môi giới với môi trường mà nó hoạt động. Theo đó, vơ tuyến khả
tri là một hệ thống có khả năng cảm biến mơi trường xung quanh và điều
chỉnh các các tham số hoạt động của nó để tối ưu hố hệ thống dưới dạng: tối
đa băng thông, giảm can nhiễu, truy nhập phổ tần động.
•

Theo GS Simon Hayskin : Vơ tuyến khả tri là một hệ thống truyền thơng

khơng dây thơng 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 (cơng suất truyền, tần số sóng mang, phương

pháp điều chế) trong thời gian thực với hai vấn đề chính: (i) truyền thông với
độ tin cậy cao bất cứ khi nào và bất cứ nơi đâu và (ii) sử dụng hiệu quả phổ
vơ tuyến
•

Theo IEEE: Vơ 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 khơng, và nhảy vào (hoặc thốt khỏi nếu cần thiết) rất nhanh qua


một khoảng phổ tạm thời không sử dụng khác, nhằm không gây nhiễu cho các
hệ thống được cấp phép khác.
Câu 2: Trình bày tóm tắt mơ hình kiến trúc hệ thống vơ tuyến khả tri
1. Mơ hình kiến trúc Vơ tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR)

Mơ hình kiến trúc Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR)
SDR cung cấp một mặt bằng vô tuyến rất linh hoạt và mềm dẻo, ở đó ta có thể lập
trình và điều khiển thích ứng bởi một khối giám sát trung tâm. Tính ưu việt của SDR là
khả năng mềm hóa phần cứng (các khối Điều chế, Mã hóa, Tạo khung và Xử lý được
phần mềm hóa), các cơng nghệ điện tử hiện thời như ADC, DDC, bộ tổng hợp tần số
tốc độ cao, phương pháp chế tạo vi điện tử, ... có thể thực hiện được với chi phí rất hợp
lí, tích hợp cao và kích thước nhỏ gọn. Đặc biệt, SDR cho phép thay đổi, nâng cấp, cập
nhật, bổ sung, tích hợp ở dạng chương trình hóa trên FPGA. SDR 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.
2. Mơ hình kiến trúc Vơ tuyến khả tri (CR)

Mơ hình kiến trúc Vơ tuyến khả tri (CR)


Vơ tuyến khả tri CR có thể thực hiện được hồn tồn chỉ dựa trên những thay đổi ở
cấu trúc phần mềm mà không phải thay đổi ở cấu trúc phần cứng bên trong như các hệ
thống vô tuyến trước đây. Để triển khai CR từ SDR, chỉ cần thêm vào SDR các khối xử
lí thơng minh như chia sẻ phổ tần động (DFS), điều khiển công suất (TPC), và IPD.
Điểm khác biệt 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
mơi trường vơ tuyến. Vơ 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, vơ tuyến
khả tri CR thích ứng với mơi trường phổ, trong khi SDR lại thích ứng với mơi trường
mạng, và chúng có một phần chồng lên nhau về chức năng.
Câu 3: Trình bày tóm tắt chức năng và hoạt động của hệ thống vô tuyến khả tri
1. Chức năng của hệ thống vô tuyến khả tri
Các chức năng cơ bản của vơ 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 u cầu

truyền thơng 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.
2. Hoạt động của hệ thống vô tuyến khả tri
Mạng vơ 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 khơng.
•

Trên băng cấp phép


Mạng vô tuyến khả tri 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. 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 (khoảng băng tần không được sử dung) 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. Hơn nữa, nếu PU xuất hiện trong băng
phổ bị những người dùng vô tuyến khả tri chiếm, thì người dùng vơ tuyến khả tri lập tức
phải hoàn trả lại phổ và chuyển tới phổ khả dụng khác (chuyển giao phổ).
•

Trên băng khơng được cấp phép



Mạng vô tuyến khả tri hoạt động 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 việc truyền của những người dùng vô tuyến khả tri khác. Việc chuyển giao
phổ khơng được kích hoạt bởi sự có mặt của những người dùng sơ cấp khác.
Tuy nhiên, vì tất cả những người dùng vơ 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 địi 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 khơng được
cấp phép thì phải có phương pháp chia sẻ phổ phù hợp giữa các mạng này.


Câu 4: Trình bày tóm tắt kiến trúc vật lý của hệ thống vô tuyến khả tri
1. Kiến trúc máy thu/phát của vô tuyến khả tri

Kiến trúc vật lý của máy
thu/phát
vơ 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 thơng 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.
2. Kiến trúc đầu cuối RF băng rộng


Kiến trúc vật lý của Đầu cuối RF băng rộng

Điểm mới của máy thu phát CR là khả năng cảm nhận phổ băng rộng của đầu cuối
RF. 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:


•

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.
•

Bộ lọc RF: Bộ lọc RF lựa chọn băng mong muốn bằng cách bỏ qua việc

lọc tín hiệu RF nhận được.
•

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 số nhất định với điện áp cho trước để trộn với tín hiệu tới. Q trình này
chuyển đổi tín hiệu tới thành tần số băng gốc hoặc tần số trung tần.
•

Vịng 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.
•

Mạch tự động điều chỉnh độ lợi (AGC): AGC duy trì độ lợi hoặc mức

cơng suất đầu ra của bộ khuếch đại không đổi trên một dải rộng các mức cơng
suất đầu vào.
Q trình thực hiện từ kiến trúc vật lý của máy thu/phát vô tuyến khả tri Kiến trúc
vật lý của đầu cuối RF băng rộng
•

Tín hiệu băng rộng được nhận qua đầu cuối RF

•

Lấy mẫu bởi bộ chuyển đổi tương tự-số (A/D) tốc độ cao


•

Đo đạc được thực hiện để phát hiện ra tín hiệu của người dùng được cấp

phép.

Anten RF băng rộng thu nhận tín hiệu từ các máy phát


Câu 5: Trình bày chu trình nhận thức trong mạng vơ tuyến khả tri CRN

Chu trình nhận thức trong mạng vô tuyến khả tri (CRN)

Khả năng nhận thức chỉ khả năng nắm bắt hoặc cảm nhận các thông tin từ môi trường
vô tuyến. Thông qua khả năng này, các phần phổ khơng sử dụng tại một thời điểm hoặc
vị trí nhất định có thể được xác định. Từ đó, ta có thể lựa chọn được phổ tốt nhất và các
thơng số hoạt động phù hợp nhất.
Khả năng nhận thức cho phép vơ tuyến khả tri tương thích trong thời gian thực với
các thay đổi của môi trường để xác định các thơng số truyền thích hợp và thích ứng với
mơi trường vô tuyến động. Nhiệm vụ yêu cầu cho hoạt động thích ứng trong phổ được
gọi là chu trình nhận thức.
Ba bước cơ bản trong chu trình thơng minh:
•

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.
•

Phân tích phổ: Các đặc tính của hố phổ có được thơng qua cảm nhận phổ


sẽ được ước tính.


•

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 thơng qua các đặc
tính phổ và yêu cầu của người dùng.
Một khi băng phổ hoạt động đã được quyết định, thì việc truyền thơng có thể được
thực hiện qua băng phổ này. Tuy nhiên, vì mơi trường vơ 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 mơi trường trong suốt
q 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.
Câu 6: Trình bày sơ đồ khối thực hiện vơ tuyến khả tri CR dựa trên SDR

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

•

Anten băng rộng: là cổng vào vô tuyến khả tri hoạt động trên các băng

tần vơ RF, có khả năng qt băng tần rộng phù hợp với sự thay đổi của mơi 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
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 lý dữ liệu cũng như tận dụng hiệu quả tài nguyên vô
tuyến của CR trong mơi trường phổ tần động.
•

Khối Tự cấu hình Truyền thơng/Phối hợp lựa chọn: 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, để đạt được các thông tin ở đầu ra thực sự muốn.
•

Bộ tổng hợp thích ứng: tạo ra sóng mang, thực hiện điều chế và biến đổi

nâng tần.
•

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


Câu 7: Trình bày các thành phần cơ bản của vô tuyến khả tri CR để lựa chọn tần
số động
Các thành phần cơ bản của vô tuyến khả tri để lựa chọn tần số động:

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 thơng số liên quan ở q 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.


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 dữ liệu, 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 và
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 khơng cịn rỗi nữa. Đối với
một số phân hệ di động, việc thơng tin này có thể yêu cầu dùng kênh hoa tiêu băng hẹp.
Đáp ứng (khối 3):
Tại một ví trí và một thời điểm xác định, khối chức năng thứ ba thực hiện việc
xác định dạng sóng và tần số động để sử dụng.
Thích ứng (khối 4):
Khối này để thích ứng với sự thay đổi của mạng khi khối 3 xác định dạng sóng
và tần số động để sử dụng.