Tìm hiểu chung về công nghệ vô tuyến nhận thức

Tìm hiểu về công nghệ vô tuyến nhận thức được đề xuất sử dụng trong mạng di
động thế hệ thứ 5
Chương I: Tìm hiểu chung về công nghệ vô tuyến nhận thức
1.1.

1.2.

Giới thiệu chương.
Vô tuyến nhận thức là một công nghệ mới mang đến những thay đổi mang
tính cách mạng trong việc sử dụng tài nguyên phổ tần số. Công nghệ vô
tuyến nhận thức được thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần,
những người dung vô tuyến nhận thức có khả năng sử dụng những dải taafi
chia sẻ mà không gây nhiễu tới các người dung được cấp phép. Vô tuyến
nhận thức cho phép các thiết bị đầu cuối có thể cảm biến và sử dụng một
cách linh hoạt phổ tần sẵn có tại một thời điểm nhất định. Chương I sẽ đề
cập cái nhìn tổng quan về công nghệ vô tuyến nhận thức, các khái niệm, đặc
tính cũng như hoạt động của vô tuyến nhận thức.
Định nghĩa vô tuyến nhận thức
Vô tuyến nhận thức là một công nghệ mới, do đó định nghĩa “Vô tuyến nhận
thức” được cá nhận và tổ chức trên thế giới nhìn nhận theo nhiều cách khác
nhau. Một định nghĩa về các hệ thích nghi – AS đã được giới thiệu trong các
quy định vô tuyến cách đây một thập kỷ. Các hệ thống thích nghi được định
nghĩa là có khả năng tự thay đổi các thông số, trong đó có tần số và công
suất để tăng cường chất lượng thu. Hiện nay, những hệ thống như vậy bị giới
hạn bởi các băng tần trung và cao, do các điều kiện truyền dẫn thay đổi
nhiều. Các quy định quản lý khả thi cho các hệ thống thích nghi đang hạn
chế hoạt động của hệ thống này ở các băng do các dịch vụ dành cho an ninh
cũng như các dịch vụ thiên văn học vô tuyến, xác định vô tuyến, các dịch vụ
nghiệp dư và quảng bá. Cùng với sự phát triển của công nghệ, khả năng của
các hệ thống thích hứng được cải thiện. Phần mềm đóng một vai trò quan
trọng trong khía cạnh này và ngày càng khả thi hơn trong việc phân tích môi

trường vô tuyến và điều chỉnh các thông số của hệ thống theo môi trường.
Chẳng hạn việc kết hợp thiết bị vô tuyến và phần mềm mang lại hướng đi
mới trong giải quyết vấn đề nghẽn tần số và tăng cường hiệu quả của việc sử
dụng tần số.
Thuật ngữ “Vô tuyến nhận thức” lần đầu tiên xuất hiện trong một tờ báo
năm 1999, nó được Joseph Mitola định nghĩa như sau: “Vô tuyến nhận thức
là mô hình vô tuyến sử dụng những suy luận chặt chẽ để đạt được mục tiêu
cụ thể đã thiết lập trong các miền vô tuyến liên quan”.
Cũng trong công trình nghiên cứu về công nghệ vô tuyến nhận thức của một
bài báo, tác giả Simon Haykin đã nêu định nghĩa sau: “Vô tuyến nhận thức


là một hệ thống truyền thông không dây nhận thức có khả năng nhận biết về
môi trường xung quang nó từ đó học hỏi để thích nghi với sự thay đổi của
môi trường bằng cách thay đổi các tham số hoạt động cụ thể (ví dụ: công
suất phát, tần số song mang, phương thức điều chế) trong thời gian thực, với
hai đặc tính chính: truyền thông độ tin cậy cao tại mọi thời điểm và sử dụng
hiệu quả phổ tần số vô tuyến”.
FCC địng nghĩa vô tuyến nhận thức dựa trên nền tảng vận hành máy phát
như sau: “Là một hệ thống vô tuyến mà có thể thay đổi tham số của máy
phát dựa trên sự tương tác với môi trường mà nó hoạt động”.
Trong khi trợ giúp FCC nỗ lực đưa ra định nghĩa vô tuyến nhận thức, IEEE
đã đưa ra định nghĩa: “Một bộ thu/phát tần số vô tuyến mà được thiết kế để
phát hiện một cách thông minh các phân đoạn riêng lẻ của phổ tần đang
được sử dụng, từ đó có thể truy cập vào các phổ tần chưa được sử dụng một
cách nhanh chóng, linh hoạt, không gây nhiễu tới các người dùng được cấp
phép”.
Hay một định nghĩa khác đi sâu vào cách thức hoạt động, cấu trúc của vô
tuyến nhận thức: “ Vô tuyến nhận thức là hệ thống mà các phần tử của nó có
khả năng thay đổi các tham số ( công suất, tần số, các tham số điều chế,..)

trên cơ sở cảm nhận và tương tác với môi trường hoạt động. Theo đó, thiết
bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm – SDR sẽ một phầm tử quan trọng
trong hệ thống vô tuyến nhận thức. Các tham số của SDR có thể thay đổi
một cách linh hoạt bằng phần mềm mà không cần phải thay đổi cấu trúc
phần cứng. Mục đích của vô tuyến nhận thức là cho phép các thiết bị vô
tuyến khác hoạt động trên các dải tần còn trống tạm thời mà không gây
nhiễu đến các hệ thống vô tuyến có quyền ưu tiên cao hơn hoạt động trên dải
tần đó”.
Để cho phép tận dụng tối đa tài nguyên phổ tần như trên, vô tuyến nhận thức
phải có những tính chất cơ bản như sau:
- Tự động điều phát hiện và chỉnh tần số khi tần số này bị chiếm bởi người
sử dụng được cấp phép.
- Thiết lập các thông số của mạng và hoạt động trên một phần hoặc toàn bộ
băng tần được cấp phát.
- Chia sẻ kênh tần số và điều khiển công suất thích ứng theo điều kiện cụ
thể của trường vô tuyến, mà ở đó tồn tại nhiều loại hình dịch vụ vô tuyến
cùng chiếm dụng.
- Thực hiện thích ứng độ rộng băng tần, tốc độ truyền và các sơ đồ mã hóa
sửa lỗi để cho phép đạt được băng thông tốt nhất có thể.


-

Tạo và điều khiển búp sóng thích ứng (Adaptive Beamforming) theo đối
tượng truyền thông

Cuối cùng ta có thể tiến tới một định nghĩa chung nhất về vô tuyền nhận
thức nhau sau: Vô tuyến nhận thức là hệ thống có khả năng phân tích, cảm
nhận môi trường xung quanh, từ đó thay đổi các tham số truyền dẫn để đạt
được mục đích sử dụng phổ tần sẵn có một cách hiệu quả và tiết kiệm nhất.

1.3.

Hoạt động của vô tuyến nhận thức
Từ định nghĩa trên ta có thể thấy vô tuyến nhận thức có hai đặc điểm chính
sau:
- Khả năng nhận thức: Khả năng mà công nghệ vô tuyến có thể nắm bắt
hoặc cảm nhận các thông tin từ môi trường vô tuyến. Khả năng này
không chỉ đơn giản là thực hiện giám sát công suất trong một số băng tần
số quan tâm mà còn yêu cầu nhiều công nghệ phức tạp để nắm bắt sự
biến đổi của môi trường còn yêu cầu nhiều công nghệ phức tạp để nắm
bắt sự biến đổi của môi trường vô tuyến trong không gian và theo thời
gian nhằm tránh nhiễu ảnh hưởng tới những người dùng khác. Thông qua
khả năng này, các phần phổ không sử dụng tại một thời điểm hoặc vị trí
nhất định có thể được xác định. Từ đó, hệ thống có thể lực chọn được
khoảng phổ tốt nhất và các thông số hoạt động phù hợp nhất không gây
ảnh hưởng đến người dùng được cấp phép.
- Tính tự cấu hình: Tính tự cấu hình cho phép vô tuyến nhận thức có khả
năng tự động thích nghi theo sự thay đổi của môi trường vô tuyến. Đặc
biệt, vô tuyến nhận thức có thể được lập trình để truyền và nhận trên các
tần số khác nhau và để sử dụng các công nghệ truy nhập truyền dẫn khác
nhau được hỗ trợ bởi phần cứng. Một số thông số tự cấu hình cần chú ý
là: tần số hoạt động, tham số điều chế, công suất phát… Mục tiêu cơ bản
của vô tuyến nhận thức là tận dụng được phổ tần có sẵn một cách tốt nhất
thông qua khả năng tự nhận thức và tính tự cấu hình. Vì hầu hết phổ tần
đã được gán, nên thách thức lớn nhất là sử dụng chia sẻ phổ tần được cấp
phép mà không gây nhiễu tới quá trình truyền dẫn của những người dùng
được cấp phép khác. Vô tuyến nhận thức cho phép sử dụng những vùng
phổ trống theo từng thời điểm, phổ này ám chỉ hố phổ hay khoảng trắng
(hình 1.1). Nếu dải phổ này được người dùng sơ cấp ( người dùng được
cấp phép) sử dụng tiếp thì những người dùng vô tuyến nhận thức phải

chuyển đến hố phổ khác hoặc nếu vẫn ở trong cùng một băng thì thay đổi
mức công suất phát hoặc sơ đồ điều chế để tránh nhiễu:


Hoạt động của vô tuyến nhận thức có thể được mô tả như hình 1.2 dưới đây:


Hình 1.2 thể hiện các nhiệm vụ chính của một mạng vô tuyền nhận thức. Các
nhiệm vụ này có thể được phân loại như sau:
-

-

Cảm nhận phổ/Cảm biến phổ: Vô tuyến nhận thức giám sát các dải phổ
sẵn có, thực hiện các kỹ thuật cảm biến phổ để xác định vị trí các hố phổ
hay vùng phot tạm thời chưa được sử dụng
Quản lý phổ: Chiếm giữ phần phổ tần tốt nhất để đưa ra các kế hoạch
phân bổ phổ cho các người dùng một cách hợp lý.
Dịch chuyển phổ: Đảm bảo các yêu cầu truyền thông thông suốt hay liên
tục.
Chia sẻ phổ: Phân chia phổ tần hợp lý giữa các người dùng vô tuyến nhận
thức đang cùng tồn tại.


Các mạng vô tuyền nhận thức cho phép các giao thức truyền thông tin
nhận biết phổ. Tuy nhiên, việc sử dụng phổ tần động gây ra các ảnh
hưởng bất lợi đến các hệ thống vô tuyến sử dụng dải tần cấp phép cố
định.
Hình 1.3 minh họa giao thức giao tiếp giữa các lớp trong mô hình mạng
vô tuyến nhận thức. Chính sự tác động này đòi hỏi mạng vô tuyến nhận

thức phải có chức năng thiết kế đa lớp. Đặc biệt, việc cảm biến phổ và
chia sẻ phổ phải được kết hợp để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ. Trong
chức năng chia sẻ và dịch chuyển phổ, các chức năng ở lớp ứng dụng,
truyền tải, định tuyến, truy nhập phương tiện và lớp vật lý được thực hiện
đồng thời.

1.4.

Như vậy, chắc năng cảm biến phổ tần được thực hiện tại lớp vật lý trong
khi chức năng chia sẻ phổ được thực hiện chủ yếu tại lớp liên kết dữ liệu.
Các chức năng chính của mạng vô tuyến nhận thức
Các công nghệ vô tuyến nhận thức cung cấp khả năng sử dụng và chia sẻ
phổ theo cơ hội. Các kỹ thuật truy nhập phổ tần động cho phép vô tuyến
nhận thức hoạt động trong kênh tốt nhất có sẵn. Cụ thể hơn, công nghệ vô
tuyến nhận thức cho phép người dùng có các khả năng:
- Xác địng các khoảng phổ sẵn có và phát hiện ra những người dùng sơ cấp
khi người dùng đó hoạt động trong băng cấp phép – Cảm biến phổ.
- Lựa chọn kênh tốt nhất trong vùng phổ trống – Quản lí phổ
- Phân bổ phổ tần khả dụng cho người dùng – Chia sẻ phổ.


Bỏ kênh đang chiếm dụng khi phát hiện người dùng sơ cấp – Dịch
chuyển phổ.
Cảm biến phổ.
Một yêu cầu quan trọng của mạng vô tuyến nhận thức là cảm nhận các hố
phổ. Như đã nêu trên, môt mạng vô tuyên nhận thức được thiết kế để cảm
nhận và nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường vô tuyến xung quang.
Chức năng cảm biến phổ cho phép vô tuyến nhận thức thích ứng với môi
trường xung quang để phát hiện các người dùng sơ cấp đang truyền nhận dữ
liệu trong vùng hoạt động trong vùng phổ cảm biến. Tuy nhiên, trên thực tế

rất khó cho một mạng vô tuyền nhận thức có thể đo trực tiếp các thông số
của kênh đang sử dụng giữa máy phát và máy thu của người dùng sơ cấp.
Do vậy, phương pháp khả thi là tập trung vào việc phát hiện mát phát sơ cấp
dựa trên các quan sát cục bộ của người dùng vô tuyến nhận thức
Quản lý phổ.
Trong mạng vô tuyến nhận thức, các khoảng phổ chưa sử dụng sẽ được trả
ra trên một vùng tần số rộng bao gồm cả băng tần cấp phát và không cấp
phát. Các khoảng phổ này được phát hiện thông qua cảm biến phoor
(Spectrum sensing). Theo đó, các dữ liệu cảm biến không chỉ thay đổi treo
thời gian mà còn thay đổi theo các thông tin băng tần phổ như tần số và băng
thông hoạt động. Vì mạng vô tuyến nhận thức phải quyết định được băng tần
phổ tốt nhất để đáp ứng các yêu cầu về chất lượng dịch vụ - QoS trên toàn
bộ các bằng tần có sẵn, nên các chức năng quản lý phổ phải được tính toán
dựa trên đặc tính phổ động.
Dịch chuyển phổ.
Dịch chuyển phổ được định nghĩa là quá trình một người dùng mạng vô
tuyến nhận thức thay đổi tần số hoạt động của mình. Quá trình này được gọi
là quá trình chuyển giao phổ. Trong mạng vô tuyến nhận thức, chuyển giao
phổ xảy ra khi các điều kiện kênh hiện thời có biểu hiện xấu đi hoặc có siwj
trở lại của người dùng sơ cấp. Các giao thức giữa các lớp khác nhau trong
mạng phải phù hợp với các tham số kênh. Múc đích của việc chuyển phổ
trong mạng vo tuyến nhận thức là để đảm bảo quá trình truyền dẫn xảy ra
liên tục, chất lượng và không gây ảnh hưởng xấu đến người dùng chính
trong cùng phổ được cấp phép.
Chia sẻ phổ.
Trong mạng vô tuyến nhận thức, một trong những thách thức chính khi sử
dụng phổ tần động là việc chia sẻ phổ tần. Không giống như cảm biến phổ
liên quan chính tới lớp vật lý, hay quản lý phổ liên quan tới các dịch vụ lớp
cao hơn, chức năng chia sẻ phổ tương tự với công nghệ phân bổ tài nguyên
-

1.4.1.

1.4.2.

1.4.3.

1.4.4.


1.5.
1.5.1.

và đa truy nhập đa năng chia sẻ phổ tương tự với công nghệ phân bổ tài
nguyên và đa truy nhập đa người dùng trong lớp MAC của hệ thống truyền
thông hiện nay. Vấn đề chính trong việc chia sẻ phổ là sự tồn tại đồng thời
giữa những người dùng vô tuyến nhận thức và các người đùn sơ cấp cũng
như việc quản lý các băng thông không liên tục. Dựa trên các tiêu chuẩn
khác nhau, các kỹ thuật chia sẻ phổ có thể được phân loại theo nhiều cách
khác nhau.
Kiến thức vật lý của vô tuyến nhận thức
Thành phần chính của bộ thu phát vô tuyến nhận thức là đầu cuối RF (RF
Front-End) và khối xử lý băng gốc. Mỗi thành phần có thể tự cấu hình thông
qua một bus điều khiên để thích ứng với môi trường RF biến đổi theo thời
gian. Trong đầu cuối RF, tín hiệu thu được khuếch đại, trộn và chuyển đổi
tương tự số - A/D. Trong khối xử lý băng gốc, tín hiệu được điều chế/giải
điều chế, mã hóa/giải mã,. Khối xử lý băng gốc của mạng vô tuyến nhận
thức về bản thân cũng tương tự như bộ thu phát đnag tồn tại. Tuy nhiên,
điểm mới ở mạng vô tuyến nhận thức nằm ở đầu cuối RF.
Điểm mới của bộ thu phát vô tuyến nhận thức là khả năng cảm nhận bnawg

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 vô tuyến nhận thức có khả năng điều chỉnh tới bất kì phầ nnaof
của dải tần rộng lớn. Cảm biến phổ cũng cho phép việc đo lường trong thời
gian thực các thông tin phổ từ môi trường vô tuyến.
Đầu cuối RF của mạng vô tuyến nhận thức bao gồm các thành phần sau:
- Bộ lọc RF: lựa chọn băng mong muốn bằng cách lọc thông dải tín hiệu
RF nhận được.
- Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA): LNA khuếch đại tín hiệu mong muốn
đồng thời giảm thiểu các thành phần tạp âm.
- Bộ trộng: tại bộ trộn, tín hiệu nhận được trộn bới tần số dao động nội và
được chuyển đổi thành tần số băng gốc (Base band) hoặc trung tần (IF)
- Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO): tại ra tín hiệu tại một tần số
nhất định với điện áo cho trước để trộn với tín hiệu tới, Quá trình này
chuyển đổi tín hiệu tới thành tần số băng gốc hoặc trung tần.
- Vòng khóa pha(PLL): PLL đảm bảo rằng tín hiệu được khóa ở một tần số
nhất định và có thể được sử dụng để tạo ra các tần số chính xác.
- Bộ lọc lựa chọn kênh: Bộ lọc được sử dụng 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 thaaos để lựa chọn kênh” avf
máy thu đổi tần” lại sử dụng bộ lọc thông dải.


Điều khiển độ lợi tự động (AGC): duy trì độ lợi hoặc mức công suất đầu
ra của bộ khuếch đại không đổi qua một dải rộng các mức tín hiệu đầu
vào. Trong kiến trúc này, tín hiệu băng rộng vào đầu cuối RF, được lấy
mẫu bởi bộ chuyển đổi tương tự/số tốc độ vao và thực hiện đo đạc để
phát hiện sự có mặt của người dùng sơ cấp.
Mô hình thực hiện vô tuyến nhận thức
Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm

Trước khi trình bày kiến trúc của hệ thống nhận thức, ta sẽ đi sơ qua về hệ
thống vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm, nó được coi là nền tảng cho việc
thực hiện vô tuyến nhận thức trong tương lai.
SDR 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 được thực
hiện bởi các thuật toán xử lý tín hiệu được điều khiển bằng phần mềm. SDR
là chìa khóa để thực thi hệ thống vô tuyến nhận thức. Dựa theo cùng hoạt
động của nó thì SDR có thể là:
- Một hệ thống đa bằng tần số: SDR sẽ hỗ trợ nhiều băng tần khác nhau
được sử dụng bởi một hệ thống vô tuyến (Ví dụ: GSM900, GSM1800,
GSM1900).
- Một hệ thống đa chuẩn: SDR sẽ hỗ trợ nhiều chuẩn khác nhau ( ví dụ:
GSM. WCDMA, CDMA2000, WIMAX, WIFI). Các giao thức vô tuyến
khác nhau với cùng một chuẩn (ví dụ: IEEE 802.11a, 802.11b, 802.11g,
802.11n, 802.11ac trong chuẩn WIFI) cũng có thể được hỗ trợ bởi SDR.
- Một hệ thống hỗ trợ đa kênh: SDR sẽ hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ, ví
dụ như thoại tế bào và truy nhập internet không dây băng rộng.
- Một hệ thống đa kênh: SDR có thể hoạt động truyền/nhận dữ liệu trên
bằng tần cùng lúc.
Vô tuyến định nghĩa phần mềm sử dụng các vi xử lý số khả trình để thực
hiện xử lý dữ liệu cần thiết để truyền và nhận các thông tin bằng tần cơ
sở tại tần số vô tuyến.
Hình 1.6. Cấu trúc tổng quát bộ thu phát SDR
Hầu hết các thành phần trong cấu trúc của SDR (nhưu 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 lớp cao hơn hoặc có thể được cấu
hình lại bởi các module vô tuyến nhận thức.
Trong SDR 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,
-

1.6.
1.6.1.


1.6.2.

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.
Mô hình thực hiện vô tuyến nhận thức
Như đã đề cập ở trên SDR là cơ sở để thực hiện hệ thống vô tuyến nhận
thức. Lý do rất đơn giản: SDR cũng 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 đại, bao gồm vi xử lý nhanh,
ADC/DAC tốc độ cao, bộ tổng hợp tần số tốc độ cao, công nghệ vi điện tử,
… đã khiến cho SDR có thể thực hiện được với chi phí rất hợp lý và kích
thước nhỏ gọn. Các hệ thodng SDR hiện tại có thể thực hiện vô tuyến nhận
thức thực sự trong tương lai.


Chương II: Công nghệ vô tuyến nhận thức trong mạng di động thế hệ thứ 5
2.1. Giới thiệu chung về công nghệ 5G.
-

5G (Thế hệ mạng di động thứ 5 hoặc hệ thống không dây thứ 5) là thế hệ
tiếp theo của công nghệ truyền thông di động sau thế hệ 4G, hoạt động ở các
băng tần 28, 38, và 60 GHz.Theo các nhà phát minh, mạng 5G sẽ có tốc độ

nhanh hơn khoảng 100 lần so với mạng 4G hiện nay, giúp mở ra nhiều khả
năng mới và hấp dẫn. Lúc đó, xe tự lái có thể đưa ra những quyết định quan
trọng tùy theo thời gian và hoàn cảnh.Tính năng chat video sẽ có hình ảnh
mượt mà và trôi chảy hơn, làm cho chúng ta cảm thấy như đang ở trong
cùng một mạng nội bộ.Các cơ quan chức năng trong thành phố có thể theo
dõi tình trạng tắc nghẽn giao thông, mức độ ô nhiễm và nhu cầu tại các bãi
đậu xe, do đó có thể gửi những thông tin này đến những chiếc xe thông minh
của mọi người dân theo thời gian thực.

-

Mạng 5G được xem là chìa khóa để chúng ta đi vào thế giới. Mạng lưới vạn
vật kết nối Internet (IoT), trong đó các bộ cảm biến là những yếu tố quan
trọng để trích xuất dữ liệu từ các đối tượng và từ môi trường. Hàng tỷ bộ
cảm biến sẽ được tích hợp vào các thiết bị gia dụng, hệ thống an ninh, thiết
bị theo dõi sức khỏe, khóa cửa, xe hơi và thiết bị đeo. Tuy nhiên, để cung
cấp 5G, các nhà mạng sẽ cần phải tăng cường hạ tầng cơ sở mạng lưới (gọi
là trạm gốc). Họ có thể bắt đầu bằng cách khai thác dải phổ hiện còn trống.
Sóng tín hiệu với tần số đo MHz sẽ được nâng cao lên thành GHz hay thậm
chí nhanh hơn. Tần số giao tiếp của điện thoại hiện nay ở dưới mức 3 GHz
nhưng mạng 5G sẽ yêu cầu những băng tần cao hơn. Mạng 5G được tung ra
vào năm 2020 để đáp ứng nhu cầu kinh doanh và người tiêu dùng

2.2. Bối cảnh ra đời của 5G
-

Kể từ khi hệ thống 1G được Nordic Mobile Telephone giới thiệu lần đầu tiên
vào năm 1981, cứ khoảng 10 năm lại xuất hiện một thế hệ điện thoại di động
mới. Các hệ thống 2G đầu tiên bắt đầu tung ra vào năm 1991, các hệ thống
3G đầu tiên xuất hiện lần đầu vào năm 2001 và hệ thống 4G hoàn toàn tuân

thủ các tiêu chuẩn "IMT nâng cao" đã được chuẩn hóa vào năm 2012. Sự
phát triển các hệ thống tiêu chuẩn của các mạng 2G (GSM) và 3G (IMT2000 và UMTS) mất khoảng 10 năm kể từ khi các dự án R & D chính thức
bắt đầu, và quá trình phát triển hệ thống 4G đã được bắt đầu từ năm 2001
hoặc 2002.Các công nghệ làm tiền đề cho một thế hệ mới thường được giới
thiệu trên thị trường từ một vài năm trước đó, ví dụ như hệ thống
CdmaOne/IS95 tại Mỹ vào năm 1995 được xem là tiền đề cho 3G, hệ thống


Mobile WiMAX ở Hàn Quốc năm 2006 được xem là tiền đề cho 4G, và hệ
thống thử nghiệm đầu tiên cho LTE là ở Scandinavia năm 2009. Từ tháng 4
năm 2008, Machine-to-Machine Intelligence (M2Mi) Corp - một tổ hợp
trong NASA Research Park - dưới sự lãnh đạo của Geoff Brown - bắt đầu
phát triển công nghệ thông tin liên lạc 5G
-

Các thế hệ điện thoại di động thường dựa trên các yêu cầu đối với các tiêu
chuẩn di động không-tương-thích-ngược dưới đây - theo ITU-R, như IMT2000 cho 3G và IMT-Advanced cho 4G. Song song với sự phát triển của các
thế hệ điện thoại di động của ITU-R, IEEE và các cơ quan tiêu chuẩn hóa
khác cũng phát triển các công nghệ truyền thông không dây, thường cho tốc
độ dữ liệu cao hơn và tần số cao hơn, nhưng phạm vi truyền ngắn hơn. Các
tiêu chuẩn gigabit IEEE đầu tiên là IEEE 802.11ac, đưa vào thương mại từ
năm 2013, và gần như lập tức được tiếp nối bởi tiêu chuẩn đa gigabit khác là
WiGig hay IEEE 802.11ad.

-

Trong báo cáo Ericsson Mobility Report được công bố tháng 6/2014,
Ericsson dự đoán tới năm 2019, tỷ lệ thuê bao 4G LTE ở Bắc Mỹ sẽ chiếm
tới 85% và đây có thể sẽ là một trong những khu vực đầu tiên ứng dụng 5G.
Nhật Bản và Hàn Quốc dự kiến cũng sẽ là những quốc gia sớm triển khai 5G

vì NTT DOCOMO và SK Telecom cũng đang rất quan tâm đến công nghệ
này.

-

Seizo Onoe, Phó chủ tịch điều hành kiêm Giám đốc kỹ thuật của NTT
DOCOMO tin rằng: "5G hứa hẹn mang tới những tính năng quan trọng hỗ
trợ ứng dụng, mang lại lợi ích cho người dùng và ngành công nghiệp Thành
công của Ericsson đã chứng tỏ tiềm năng thực tế của công nghệ truy cập vô
tuyến 5G ở ngay giai đoạn đầu tiên".

-

Theo Sathya Atreyam, chuyên gia của IDC, hiện chưa có chuẩn chính thức
cho 5G, nhưng 5G đã đạt một bước tiến vượt bậc từ tầm nhìn công nghệ trở
thành một yếu tố quan trọng trong chiến lược phát triển mạng lưới và kinh
doanh của các nhà khai thác viễn thông. Với tốc độ nhanh hơn, giảm độ trễ
và hiệu suất hoạt động cao hơn ở các khu vực mật độ cao, 5G mang đến
những trải nghiệm tiên tiến hơn cho người dùng, đồng thời thúc đẩy sự phát
triển các ứng dụng M2M phục vụ người tiêu dùng.

2.3. Kiến trúc mạng 5G.


-

-

-

Kiến trúc 5G sử dụng Cloud – RAN với công nghệ điện toán đám mây cho
phép “tập trung hóa hóa” và “ảo hóa” các trạm băng gốc cơ sở một cách
mềm dẻo và linh hoạt.
Nguyên lý tập trung hóa của Cloud – RAN dựa trên mô hình tập trung trạm
gốc vớiquy mô lớn với các công nghệ truyền tải tốc độ cao bằng cáp quang
và sóng cao tần milimet cho phép tuyền tín hiệu tốc độ cao trên đường dài
với chi phí thấp, độ tin cậy cao và độ trễ thấp. Cloud – RAN cho phép hàng
trăm, hàng nghìn RRH từ xa kết nối với một BBU tập trung với khoảng cách
lên tới vài kilomet. Các BBU cũng có thể giao tiếp với nhau với băng thông
cực cao lên tới 10 Gbps hoặc cao hơn và độ trễ thấp cỡ 10 μs. Việc tập trung
quản lý nguồn tài nguyên băng gốc giúp giảm đáng kể chi phí hoạt động bởi
khoảng hai phần ba chi phí của một mạng lưới là chi trả cho thuê địa điểm,
năng lượng, hỗ trợ và bảo trì cho các trung tâm dữ liệu. Các nhà khai thác tại
Hàn Quốc, Nhật Bản và Trung Quốc đã chứng minh có thể giảm từ 30% –
50% chi phí vận hành khi sử dụng nguyên lý tập trung hóa mạng truy nhập
vô tuyến.
Nguyên lý ảo hóa của Cloud – RAN nhằm giảm chi phí đầu tư, vận hành
bằng cách áp dụng các chức năng mạng ảo (NFV) với mạng truy nhập vô
tuyến. Bên cạnh đó, ảo hóa có một tính năng cực kỳ hấp dẫn, hãy tưởng
tượng rằng bạn có thể chuyển đổi giữa các nhà cung cấp trạm gốc chỉ bằng
cách nhất một nút thay vì phải thay cả một hệ thống phần cứng chuyên dụng
đắt đỏ cồng kềnh!

Với đặc tính linh hoạt nhờ các công nghệ ảo hóa, Cloud – RAN phân phối và
điều khiển truy nhập tới các ô mạng lớp dưới. Với các ô mạng nhỏ hơn, Cloud –
RAN cục bộ sẽ được thiết lập riêng. Kiến trúc ô mạng nhỏ kết hợp với công
nghệ D2D cho phép thiết lập mạng lưới di động giữa các thiết bị, phương tiện
giao thông và tòa nhà một cách đầy đủ và thông suốt. Ở lớp này, điều khiển truy
nhập được thực hiện bởi các ứng dụng D2D được cài đặt trên các thiết bị và
phương tiện truy nhập mạng thay vì Cloud–RAN.

Với kiến trúc mềm dẻo linh hoạt, các thiết bị trong mạng 5G luôn luôn có xu
hướng sử dụng các kết nối gần nhất và có chất lượng tốt nhất. Tính năng này
không có ở các thế hệ mạng trước đây.
- Kiến trúc mạng 5G còn có một tính năng rất ưu việt được kế thừa từ mạng
cảm biến không dây. Đó chính là khả năng chia sẻ năng lượng giữa các thiết


bị tham gia vào mạng. Trong mạng 5G, các thiết bị tham gia vào mạng vô
cùng đa dạng, bao gồm cả các thiết bị di động tốc độ cao, các thiết bị di
chuyển chậm và các thiết bị cố định, các thiết bị có nguồn năng lượng dồi
dào và các thiết bị có nguồn năng lượng hạn chế. Mọi thiết bị đều có khả
năng trở thành điểm truy cập hoặc điểm chuyển tiếp tạm thời cho các thiết bị
quanh nếu nó đồng ý, tính năng này đã được giới thiệu trong phần giới thiệu
công nghệ D2D. Khi đó, các thiết bị có nguồn năng lượng dồi dào như xe
hơi, trạm thu phí, điểm dừng xe bus, hay máy tính xách tay… sẽ là các ứng
cử viên tiềm năng nhất cho vai trò làm điểm truy cập tạm thời cho các thiết
bị xung quanh.
2.4. Công nghệ nhận thức vô tuyến trong 5G.
Thế kỷ 21 này chắc chắn là "thế kỷ của tốc độ" và đạt được sự tiến hóa cao trong
tất cả nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong giao tiếp: rất nhiều dịch vụ, phần mềm, thiết
bị, khả năng vv ... Tuy nhiên, một sự phức tạp và lãng phí thời gian cho con người,
và cần được tích hợp và đạt được trong một cách đơn giản
Do đó, một công nghệ mới bắt đầu được mô tả, sẽ cung cấp tất cả các ứng dụng có
thể bằng cách sử dụng chỉ một thiết bị quang phổ và kết nối các cơ sở hạ tầng
truyền thông đã có, đó là thế hệ thông tin di động thứ 5-5G. Cả công nghệ nhận
thức vô tuyến và thế hệ thông tin di động thứ 5 (5G) được coi là các công nghệ
tương lai: một mặt,công nghệ nhận thức vô tuyến cung cấp khả năng tăng đáng kể
hiệu suất quang phổ, bởi người sử dụng máy tính thông minh bằng cách sử dụng
các lỗ phổ mà người dùng được cung cấp miễn phí; Mặt khác, 5G kết nối không
dây toàn cầu, cùng với tốc độ dữ liệu rất cao Quality of Service(QoS)

Các công nghệ nhận thức vô tuyến tích hợp công nghệ vô tuyến và công nghệ
mạng để cung cấp hiệu quả sử dụng phổ tần vô tuyến, nguồn tài nguyên mạng và
các dịch vụ người dùng tiên tiến. Ý tưởng của một đài phát thanh nhận thức mở
rộng các khái niệm của một đài phát thanh phần cứng và đài phát thanh được xác
định (SDR) từ một thiết bị đơn giản, đơn chức năng đến một đài phát thanh mà
cảm giác và phản ứng với môi trường hoạt động của nó. Một Cognitive Radio kết
hợp nhiều nguồn thông tin, xác định các thiết lập hoạt động hiện tại của nó, và hợp
tác với các cognitive radios khác trong một mạng không dây. Lời hứa của các đài
phát thanh nhận thức được cải thiện việc sử dụng nguồn phổ, giảm thời gian kỹ
thuật và lập kế hoạch, và thích nghi với điều kiện hoạt động hiện tại. Một số tính


năng của công nghệ vô tuyến nhận thức trong mạng thông tin di động thứ 5 bao
gồm:
a, Cảm nhận môi trường phổ tần số vô tuyến hiện tại
Điều này bao gồm đo tần số đang được sử dụng, khi nào chúng được sử dụng, ước
tính vị trí của máy phát và thu, và xác định điều chế tín hiệu. Kết quả từ việc lắng
nghe môi trường sẽ được sử dụng để xác định các cài đặt vô tuyến
b, Cơ sở dữ liệu chính sách và cấu hình
Các chính sách xác định cách thức phát thanh và các giới hạn về thể chất của hoạt
động vô tuyến có thể được bao gồm trong công nghệ vô tuyến hoặc truy cập qua
mạng. Các chính sách có thể chỉ định tần suất nào có thể được sử dụng ở những vị
trí nào. Các cơ sở dữ liệu cấu hình sẽ mô tả tính hoạt động của đài phát thanh vật
lý. Các cơ sở dữ liệu này thường được sử dụng để hạn chế sự hoạt động của đài
phát thanh để ở trong giới hạn quy định
c, Tự cấu hình
Công nghệ vô tuyến có thể được lắp ráp từ nhiều môđun
d, Cấu hình định hướng nhiệm vụ
Công nghệ vô tuyến nhận thức được định nghĩa có thể đáp ứng một loạt các yêu
cầu hoạt động. Yêu cầu tiêu chuẩn hóa có thể bao gồm hoạt động trong các tòa nhà,

công suất đáng kể, vận hành qua các khoảng cách dài và vận hành trong khi di
chuyển ở tốc độ cao. Sứ mệnh định hướng cấu hình lựa chọn một bộ mô-đun vô
tuyến từ thư viện các mô-đun và kết nối vào một đài phát thanh hoạt động
e, Thuật toán thích ứng
Trong quá trình hoạt động của công nghệ vô tuyến nhận thức cảm nhận môi trường
của nó, tuân thủ các ràng buộc về chính sách và cấu hình để tận dụng tốt nhất các
yêu cầu của người sử dụng
f, Hợp tác phân tán
Công nghệ nhận thức vô tuyến sẽ trao đổi thông tin hiện tại về môi trường của nó,
nhu cầu người sử dụng, và hiệu quả hoạt động của tuyến trên cơ sở thường xuyên.
Các đài sẽ sử dụng thông tin địa phương và thông tin ngang hàng của họ để xác
định các cài đặt hoạt động
g, Bảo vệ


Công nghệ vô tuyến nhận thức sẽ tham gia và bảo vệ mạng không dây
2.5. Công nghệ 5G được hưởng lợi từ các nguyên tắc Cognitive Radio.
Một số công nghệ hỗ trợ như siêu băng thông rộng, truyền thông sóng Milimet,
công nghệ Mimo, công nghệ full duplex và truy cập phổ năng động đang được
nghiên cứu trong các cộng đồng công nghệ và học thuật nhằm thúc đẩy triển khai
thế hệ thứ 5 (5G) của truyền thông không dây. Vấn đề này, đã có thời gian để suy
nghĩ về những nguyên tắc của công nghệ nhận thức vô tuyến đã được tìm hiểu
trong cộng đồng trong gần một thập kỷ qua có thể được kết hợp trong truyền thông
không dây 5G.
Công nghệ nhận thức vô tuyến, có thể giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần bằng
phương tiện tiếp cận và truy cập phổ tần số động, đã được thúc đẩy bởi thực tế là
một lượng đáng kể của phổ không dây vẫn còn chưa được tận dụng trong một loạt
các tần số vô tuyến trong không gian và không gian tên miền. Ngoài ra, giải pháp
này không yêu cầu phải mua lại nguồn tài nguyên tần số vô tuyến đắt tiền, do đó
giảm tổng vốn và chi phí hoạt động cho một nhà khai thác mạng không dây.

Mặc dù các tiến bộ kỹ thuật gần đây trong các lĩnh vực Radio phần mềm (SDR) và
bộ thu phát băng rộng đã dẫn đến khả năng sử dụng phổ tần có sẵn một cách năng
động nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết từ quan điểm triển khai.
Một mặt, có những vấn đề về kỹ thuật để giải quyết một vài sai sót thực tiễm như
độ không đảm bảo của tiếng ốn, sự không chắc chắn của kênh/nhiễu, sự không
chắc chắn của tín hiệu, sự không hoàn hảo của phần cứng thu phát và các vấn đề
đồng bộ. Mặt khác, có một số thách thức về quản lý và kinh doanh để nhận được
quyền truy cập phổ năng động trong các mạng không dây trong tương lai. Trong
bối cảnh này, các nguyên tắc công nghệ nhận diện vô tuyến nhận thức có thể được
kết hợp trong mạng không dây 5G mà không cần nâng cấp đáng kể trong kiến trúc
mạng hiện có.
Một cách để kết hợp các nguyên tắc của công nghệ nhận thức vô tuyến vào mạng
không dây 5G là để cho phép sự tồn tài chung của hai hoặc nhiều hơn hai mạng
không dây không đồng nhất trong các chiều khác nhau như thời gian, tần số, không
gian, phân cực và không gian địa lý bằng cách sử dụng một số sự giảm thiểu nhiễu
tiên tiến và tài nguyên động kỹ thuật phân bổ như nhận dạng chum, liên kết nhận
thức can thiệp, kiểm soát quyền lực thích ứng, tập hợp các nhà cung cấp dịch vụ,
phân phối năng động, băng thông.
Một cách đầy hứa hẹn khác nhau để hưởng lợi từ các nguyên tắc công nghệ nhận
thức vô tuyến là kết hợp trí thông minh vào các phân đoạn khác nhau của các mạng


không dây trong tương lai như các nút chuyển tiếp và các trạm cơ sở. Các trạm cơ
sở nhỏ trong tương lai có thể được làm thông minh bằng cách giới thiệu khả năng
nhận thức phổ quát, giúp nâng cao năng lực hệ thống tổng thể bằng cách giảm tác
dộng của nhiễu và tiếng ồn. Hơn nữa, các tính năng ăng-ten thông minh như bản
địa hóa nguồn và cách chèn ba chiều thích ứng sẽ không chỉ nâng cao dung lượng
hệ thống mà còn giúp nâng cao hiệu suất năng lượng của mạng không dây trong
tương lai.
Truy cập được chia sẻ rộng rãi được cấp phép chia sẻ (LSA) có thể được thực hiện

theo cách năng động bằng cách sử dụng các kỹ thuật CR gần đây và sau đó cho
phép chia sẻ phổ tần về vị trí, thời gian và không gian. Ngoài ra, các nguyên tắc
CR có thể được sử dụng trong việc kết hợp khả năng song công toàn diện trong
một nút không dây. Hơn nữa, các tế bào nhỏ tự tổ chức (các nút không dây), có khả
năng tự cấu hình, tự tối ưu hóa và khả năng tự phục hồi, có thể xem như là yếu tố
quan trọng cho các hệ thống không dây thông minh trong tương lai.


Chương III: Kết luận.
Công nghê vô tuyến nhận thức là một công nghệ mạng và phát thanh thích ứng nó
có thể cảm nhận và đáp ứng với môi trường hoạt động của nó và tự động điều
chỉnh tần số sẵn có tố nhất, điều này làm cho nó đáng tin cậy hơn ở những nơi tín
hiệu yếu, có khả năng cung cấp các kết nối mạnh mẽ, tin cậy mà không bị cản trở,
can thiệp của địa lý.
Công nghệ vô tuyến nhận thức có thể cung cấp kết nối tương tự với các vệ tinh,
nhưng với một hệ thống radio mặt đất. Radio có thể nhận được toàn bộ quang phổ
mọi lúc, vì vậy thay vì quét, thời gian thực nhận được băng thông rộng đang diễn
ra. Như vậy chúng ta có thể thấy và đo lường mọi thứ đang diễn ra trong quang
phổ và chúng ta có thể duy trì kết nối mạng.
Công nghệ này mở ra khả năng cung cấp kết nói liền mạch bất cứ nơi nào cho phép
kinh doanh trực tuyến đáng tin cậy vào thị trường ở những nơi trên thế giới, Nó
cũng có thể cho phép các phương tiện truyền thông và các công ty khác phát sóng
mà không cần các vệ tinh đắt tiền