HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG

KHOA VIỄN THƠNG 1

BÀI TẬP CÁC MẠNG THƠNG TIN
VƠ TUYẾN
GIẢNG VIÊN
NHĨM MƠN HỌC
SINH VIÊN
MÃ SINH VIÊN
LỚP

: NGUYỄN VIẾT ĐẢM
: 03
: HỒ THỊ MINH ANH
: B18DCVT012
: D18CQVT04-B

Hà Nội -4/2022


Câu 1: Trình bày ý tưởng và khái niệm vơ tuyến khả tri.
- Ý tưởng: Từ thực tiễn nhận thấy hiệu suất sử dụng phổ tần thấp khoảng hơn 90% tài
ngun phổ tần vơ tuyến bị lãng phí. Bên cạnh đó tần số vơ tuyến là một tài ngun khan
hiếm. 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: Vô tuyến khả tri thường được coi là một vơ tuyến có thể nhận biết được mơi
trường xung quanh và thích ứng một cách khả tri, nghĩa là vô tuyến khả tri là một thiết bị
vơ 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 mơi trường, theo u cầu của người dùng và các yêu cầu của những
người dùng vô tuyến khác cùng chia sẻ môi trường phổ

Câu 2: Trình bày tóm tắt mơ hình kiên trúc hệ thống vơ tuyến khả tri.

Hình 1. Minh họa kiến trúc mạng vô tuyến khả tri CDN
Các thành phần kiến trúc của mạng vô tuyến khả tri được minh họa ở hình 2, trong
đó tồn tại hai nhóm mạng là: mạng sơ cấp (primary network) và mạng khả tri. Các thành
phần cơ bản của hai nhóm mạng này được xác định như sau:
Mạng sơ cấp (Primary network): Hạ tầng mạng đang hiện hành thường gọi là mạng sơ
cấp, 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:
1


+ 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. Mặc dù, cùng tồn tại với các trạm gốc vô tuyến khả tri
và người dùng vô tuyến khả tri SU/CU, nhưng người dùng sơ cấp PU không cần
phải điều chỉnh hoặc bổ sung chức năng.
+ 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. Về nguyên tắc, 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 khơng được cấp phép) khơng 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
mạng vơ tuyến khả tri CRN có thể được sử dụng cả mạng hạ tầng cơ sở và mạng ad hoc
(hình 2). 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) khơng có giấy phép sử dụng
phổ. Do đó, phải bổ sung các chức năng để chia sẻ băng phổ cấp phép.

+ Trạm gốc vô tuyến khả tri: Trạm gốc vô tuyến khả tri (trạm gốc xG, trạm gốc không
được cấp phép, trạm gốc thứ cấp) là thành phần cơ sở hạ tầng cố định với các khả
năng của vô tuyến khả tri. Khi có cơ hội, trạm gốc vơ 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. Thông qua kết nối này, 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 trị trong việc chia sẻ tài nguyên phổ tần giữa các mạng vô tuyến khả tri
khác nhau. Bộ phân chia phổ 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.
Hình 1 minh họa kiến trúc mạng vơ tuyến khả tri. Trong đó, mạng vơ tuyến khả tri bao
gồm nhiều loại mạng khác nhau: mạng sơ cấp, mạng vô tuyến khả tri dựa trên cơ sở hạ
tầng, và mạng vô tuyến khả tri ad hoc. Các mạng vô tuyến khả tri hoạt động dưới môi
trường phổ hỗn hợp, bao gồm cả các băng được cấp phép và khơng được cấp phép. Do đó,
trong mạng vơ tuyến khả tri, tồn tại ba loại truy nhập là:
+ Truy nhập mạng vô tuyến khả tri (xG network access): Người dùng vơ tuyến khả tri
SU/CU có thể truy nhập vào chính trạm gốc vơ tuyến khả tri ở cả băng được cấp phép và
không được cấp phép.

2


+ Truy nhập mạng vô tuyến khả tri ad hoc (xG ad hoc access): Người dùng vơ tuyến khả
tri có thể truyền thông với những người dùng vô tuyến khả tri khác thông qua kết nối ad
hoc ở cả băng được cấp phép và không được cấp phép.
+ Truy nhập mạng sơ cấp (Primary network access): Người dùng vô tuyến khả tri cũng có
thể truy nhâp tới trạm gốc sơ cấp thơng qua băng được cấp phép.

Hình 2. Minh họa, so sánh: vô tuyến thông thường, vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm
SDR và vơ tuyến khả tri CR

Từ hình 2 cho thấy, vơ tuyến khả tri CR có thể thực hiện được hoàn toàn 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 xẻ 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 (khẳ 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.

3


Hình 3. Sơ đồ khối thực hiện vơ tuyến khả tri CR dựa trên SDR
Trong máy phát ở hình 3. 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, cơng suất phát (để xác định mức công suất phát,
giảm thiểu nhiễu). Cổng định thời, định thời việc chiếm dụng phổ trống và phát tín hiệu.
Kiến trúc phân lớp cho sơ đồ vơ tuyến khả tri CR hình 3 được minh họa ở hình 4,
trong đó chỉ tập chung vào vật lí và liên kết dữ liệu.

Hình 4. Kiến trúc phân lớp tổng quát cho vô tuyến khả tri
4


Quét phổ (Spectrum scanning) là một trong những chức năng quan trọng nhất ở lớp
vật lý của vô tuyến khả tri. Ở đây, tất cả vùng phổ của toàn bộ băng tần hoạt động đều được
quét. Việc quét phổ phục vụ cho cảm nhận, phân tích, quản lý, chia xẻ, phổ tần trong môi
trường phổ tần động.

Đo kênh (Channel measurement) để xác định chất lượng của các kênh đã quét, được
chia sẻ với nhiều người dùng sơ cấp. Các thông số của kênh (cơng suất phát, tốc độ bít,...)
phải được xác định dựa trên các kết quả đo lường kênh.
Vô tuyến khả tri phải có khả năng hoạt động tại các tốc độ truyền dữ liệu, các dạng
điều chế, các mã kênh, các mức công suất khác nhau. Kỹ thuật MIMO cũng có thể được sử
dụng để triệt nhiễu khơng gian và tăng thông lượng thông qua việc ghép kênh. Kĩ thuật
OFDM cũng có thể được sử dụng để nâng cao hiệu quả băng tần và hiệu quả. Các chức
năng khác của lớp vật lý, như TPC và IPD,... được đề cập ngắn gọn dưới đây.
Lớp liên kết dữ liệu gồm ba khối chính: giao thức quản lý nhóm, giao thức điều
khiển truy nhập môi trường (MAC), và giao thức quản lý kết nối. Giao thức quản lí nhóm
được dùng để phối hợp mọi người dùng thứ cấp trong cùng một nhóm. Giao thức liên kết
dữ liệu được sử dụng để lựa chọn một kênh phù hợp để tạo ra kết nối truyền thông. Giao
thức MAC hoạt động dựa trên các thông tin từ lớp vật lý 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 sơ cấp SU/CU.
Lớp con hội tụ (Convergence Sublayer) trong lớp liên kết dữ liệu cung cấp kĩ thuật
phối hợp trong CR để hoạt động trong các môi trường không dây khác nhau, như WWAN,
WLAN, và WPAN, ...
Câu 3: Trình bày tóm tắt chức năng và hoạt động của hệ thống vô tuyến khả tri.
Chức năng của hệ thống vô tuyến khả tri:
-

Cảm nhận phổ: Phát hiện ra phổ tần không sử dụng và chia sẻ phổ mà khơng 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).

5


Hoạt động của hệ thống vô tuyến khả tri:
-

Trên băng cấp phép: Mạng vô tuyến khả tri hoạt động trên băng cấp phép được minh
họa ở hình 5, 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.

Hình 5. Mạng vô tuyến khả tri hoạt động trên băng cấp phép
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. 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).

6


-


Trên băng khơng được cấp phép:

Hình 6. Mạng vơ tuyến khả tri hoạt động trên băng khơng được cấp phép
Hình 6 minh họa mạng vô tuyến khả tri CRN 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. Các thuật toán chia sẻ phổ khả tri có thể cải thiện hiệu quả sử dụng phổ và hỗ trợ
QoS cao. 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. Khác với hoạt động trên băng cấp
phép, 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 khơng 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 không 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.
Thành phần chính của máy thu/phát CR là đầu cuối vơ 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 mơi 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. Điểm mới của máy thu phát CR là khả năng cảm
7


nhận phổ băng rộng của đầu cuối RF. Phần cứng RF cho CR có khả năng điều chỉnh trong
các băng của dải phổ tần rộng.
Các thành phần cơ bản về đầu cuối RF trong CR là: Bộ lọc RF; Bộ khuếch đại tạp
âm thấp (LNA); Bộ trộn; Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO); Vịng khóa pha

(PLL); Bộ lọc lựa chọn kênh; Mạch tự động điều chỉnh độ lợi (AGC).
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. Đầu cuối RF phải có khả năng phát hiện tín
hiệu yếu trong một dải tần số động.
Câu 5: Trình bày chu trình nhận thức trong mạng vô tuyến khả tri CRN.
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 môi
trường vô tuyến động.
Ba bước cơ bản trong chu trình thơng 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 thơng tin
của chúng và sau đó phát hiện ra các hố phổ.
2. Phân tích phổ: Các đặc tính của hố phổ có được thơng qua cảm nhận phổ sẽ được ước
tính.
3. Quyết định phổ: Vơ 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 u cầu của
người dùng.

Hình 7. Chu trình nhận thức
8


Câu 6: Trình bày sơ đồ khối thực hiện vơ tuyến khả tri CR dựa trên SDR.

Hình 8. 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 quét băng tần rộng phù hợp với sự thay đổi của môi trường phổ. Băng tần tổng
đối với anten băng rộng là =  N i i f 1 , 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 => 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
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 (để xác định mức công suất phát, giảm thiểu nhiễu).
Cổng định thời, định thời việc chiếm dụng phổ trống và phát tín hiệu.
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 bao gồm việc lựa chọn và kết hợp các thông tin đã phát
hiện được, để đạt được các thơng tin ở đầu ra thực sự muốn.
Câu 7: Trình bày các thành phần cơ bản của vô tuyến khả tri CR để lựa chọn tần số
động.
9


Hình 9. Các thành phần cơ bản của vơ tuyến khả tri để lựa chọn tần số động.
Khối thu thập dữ liệu phổ (khối 1): 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 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; 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.
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. Điều này dẫn tới cần phải có khối thích ứng với
sự thay đổi của mạng (Khối 4).

10