Nghiên cứu thực hiện cơ chế tái cấu hình trong hệ thống thông tin chiến thuật ứng dụng công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm SDR

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Nguyễn Hồng Huy Thông

NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN CƠ CHẾ TÁI CẤU HÌNH TRONG HỆ
THỐNG THƠNG TIN CHIẾN THUẬT ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
VÔ TUYẾN ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHẦN MỀM SDR

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật truyền thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Nguyễn Hữu Trung

Hà Nội – Năm 2014


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu các
nguồn tài liệu đã học, sách báo chuyên ngành cũng như các thơng tin trên Internet
mà theo tơi là hồn tồn tin cậy. Tơi xin cam đoan luận văn này khơng giống với bất
kỳ cơng trình nghiên cứu hay luận văn nào trước đây mà tôi đã biết.
Hà Nội, ngày 20 tháng 3 năm 2014
Người thực hiện

Nguyễn Hồng Huy Thông

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI MỞ ĐẦU
rong thời đại khoa học, kỹ thuật và công nghệ phát triển nhanh, các
công nghệ mới đang được nghiên cứu và triển khai, đem lại những giá
trị vô cùng to lớn. cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội và khoa học kỹ thuật thì
những u cầu về thơng tin liên lạc, đặc biệt là trong lĩnh vực viễn thông ngày càng
được nâng cao. Nhu cầu của người sử dụng cũng ngày một đa dạng hơn, từ trao đổi
tín hiệu thoại, dữ liệu, video đến truyền hình quảng bá…mà các hệ thống vơ tuyến
truyền thống khó có thể đáp ứng hết.

T

Đặc biệt hơn, việc tiếp cận và triển khai kỹ thuật trong các hệ thống thông tin
chiến thuật trên thế giới đã đặt ra vấn đề đòi hỏi cần sử dụng nhiều tấn số vô tuyến
khác nhau và các thiết bị đầu cuối cần phải có khả năng chuyển đổi linh hoạt giữa
các tần số cũng như giữa các mode dịch vụ khác nhau để thích ứng với sự đa dạng
của các mạng vô tuyến hiện nay. Sự phát triển của các hệ thống địi hỏi ở lượng
băng thơng càng ngày càng lớn, chất lượng dịch vụ cao hơn, tốc độ truyền nhanh
hơn và đặc biệt là khả năng tích hợp các loại hình dịch vụ.
Từng là một sinh viên và nay là học viên cao học chuyên ngành điện tử viễn
thông, được học tập và tiếp cận với các công nghệ mới, em thấy có nhiều hứng thú
khi tìm hiểu về các hệ thống thống thông tin chiến thuật. Hướng nghiên cứu của em
là tìm ra và thực hiện giải pháp tái cấu hình trong các hệ thống thơng tin chiến thuật,

trong đó tập trung vào phần xử lý tín hiệu. Chính vì thế em đã tìm hiểu tín hiệu và
cách xử lý các tín hiệu trong hệ thống thơng tin chiến thuật để thực hiện cơ chế tái
cấu hình sử dụng cơng nghệ SDR
Trên cơ sở đó, em đã tìm hiểu và nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu thực hiện cơ
chế tái cấu hình trong hệ thống thơng tin chiến thuật ứng dụng công nghệ vô tuyến
điều khiển bằng phần mềm SDR”. Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn
Hữu Trung và GS.TSKH. Nguyễn Ngọc San đã tận tình hướng dẫn để em hoàn
thành tốt đề tài này
Hà Nội, tháng 3 năm 2014
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hồng Huy Thông

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TĨM TẮT
Đồ án trình bày lý thuyết về công nghệ vô tuyến phần mềm (SDR) và ứng
dụng trong kiến trúc bộ trong thiết bị đầu cuối của hệ thống thơng tin chiến thuật,
sau đó đưa đề xuất mơ hình mơ phỏng hệ thống SDR đáp ứng các tiêu chí cụ thể đã
được đề ra.
Đồ án được chia làm 4 chương lớn, gồm các nội dung như được kể dưới đây.
CHƢƠNG 1 Giới thiệu tổng quan về SDR thông qua các khái niệm, kiến
trúc chung, lịch sử ra đời cũng như các ưu nhược điểm của SDR.
CHƢƠNG 2 Nghiên cứu về kiến trúc và các tính năng của mạng SDR.

Chương này xác định những vấn đề chính cần quan tâm trong quá trình tái cấu hình
cũng như đưa ra kiến trúc mạng sử dụng SDR.
CHƢƠNG 3 Mô tả kiến trúc các kiểu thiết bị đầu cuối SDR, trong đó có
phân tích cả những ưu nhược điểm của từng kiểu kiến trúc.
CHƢƠNG 4 Tiến hành thiết kế, mô phỏng hệ thống waveform của SDR sử
dụng công cụ MATLAB Simulink.

ABSTRACT
Project presented the theory of Software Defined Radio technology (SDR)
and the application in tactical system, then proposed an SDR system simulation
model which satisfied some specific criteria.
The report is divided into five major chapters which include the following
contents.
CHAPTER 1 Introduces the SDR overview through the concepts, the
general architectures, the history, the advantages and disadvantages of SDR.
CHAPTER 2 Investigates the SDR network architectures and functions.
This chapter not only determines some major considerations of reconfiguration
process but also proposes the network architecture using SDR.
CHAPTER 3 Describes some candidate architectures for SDR front-ends
and analyzes both advantages and disadvantages of each architecture.
CHAPTER 4 designs and simulates an waveform of SDR system using
MATLAB Simulink Tools.

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... 1
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 2
TÓM TẮT ................................................................................................................. 3
ABSTRACT .............................................................................................................. 3
MỤC LỤC ................................................................................................................. 4
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................... 8
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SDR .................................................................. 14
1.1. Định nghĩa SDR ............................................................................................. 14
1.2. Kiến trúc SDR tổng quát................................................................................ 15
1.3. Lịch sử ra đời ................................................................................................. 16
1.4. Ưu nhược điểm .............................................................................................. 17
1.4.1. Ưu điểm vượt trội của hệ thống SDR ...................................................... 17
1.4.2. Những hạn chế hiện nay khi triển khai giải pháp SDR ........................... 18
CHƢƠNG 2. KIẾN TRÚC VÀ TÍNH NĂNG MẠNG SDR .............................. 20
2.1. Những yêu cầu cho quá trình tái cấu hình ..................................................... 20
2.1.1. Về mặt hệ thống ...................................................................................... 20
2.1.2. Quá trình tái cấu hình .............................................................................. 24
2.2. Các chức năng logic hỗ trợ cho thiết bị đầu cuối có khả năng tái cấu hình .. 25
2.2.1. Các chức năng thiết bị đầu cuối .............................................................. 25
2.2.2. Các chức năng mạng ............................................................................... 30
2.3. Những vấn đề quan tâm về thiết kế và phát triển cho khả năng tái cấu hình 34
2.3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tái cấu hình thiết bị đầu cuối .................... 34
2.3.2. Kiến trúc proxy tập trung so với kiến trúc proxy phân tán ..................... 37
2.3.3. Vị trí của các bộ proxy trong các mạng di động ..................................... 37
2.3.4. Sự tập hợp các thông tin có giá trị ........................................................... 38
2.4. Kiến trúc mạng .............................................................................................. 40
2.4.1. Ngữ cảnh làm việc liên kết và sự hỗ trợ chuyển giao dọc ...................... 40

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.4.2. Hỗ trợ tải phần mềm ................................................................................ 45
2.4.3. Module quản lý băng thông ..................................................................... 50
2.4.4. Cơ sở hạ tầng ........................................................................................... 52
CHƢƠNG 3. KIẾN TRÚC CÁC KIỂU ĐẦU CUỐI SDR ................................. 60
3.1. Bộ thu ngoại sai và trung tần số (Heterodyne & digital-IF) ......................... 60
3.2. Bộ thu trung tần không (Zero-IF) .................................................................. 63
3.3. Bộ thu số trung tần thấp (digital low-IF) ....................................................... 65
3.4. Bộ thu lấy mẫu thông dải (Bandpass sampling) ............................................ 67
CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG .............................................................. 71
4.1. Bài tốn mơ phỏng đặt ra ............................................................................... 71
4.2. Cấu trúc khung dữ liệu .................................................................................. 72
4.3. Điều chế FSK ................................................................................................. 72
4.4. Đồng bộ.......................................................................................................... 77
4.5. Xử lý dữ liệu .................................................................................................. 78
4.6. Các chế độ dữ liệu ......................................................................................... 78
4.6.1. Chế độ 0 – 9600 bps ................................................................................ 78
4.6.2. Chế độ 1 – 800 bps .................................................................................. 79
4.7. Đánh giá kết quả và hướng nghiên cứu ......................................................... 80
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 83

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG

LỚP KTTT-2012B

5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Kiến trúc SDR tổng quát ...........................................................................15
Hình 1.2. Phổ di động sử dụng ở châu Âu ( theo nguồn Jondral, 1999) ...................18
Hình 2.2. Kiến trúc chức năng [4].............................................................................25
Hình 2.3. Kiến trúc mạng tập trung (network-centric architecture) ........................31
Hình 2.4. Ghép nối mở ..............................................................................................41
Hình 2.5. Ghép nối lỏng ............................................................................................42
Hình 2.6. Ghép nối chặt ...........................................................................................44
Hình 2.7. Ghép nối rất chặt .......................................................................................44
Hình 2.8. Hồ sơ dữ liệu đang tải ...............................................................................47
Hình 2.9. Chức năng quyết định loại kênh truyền ....................................................48
Hình 2.10. Ví dụ về chế độ broadcast MBMS ..........................................................51
Hình 2.11. Ví dụ về chế độ multicast MBMS ...........................................................52
Hình 2.12. Ví dụ về các đối tượng và giao diện của một vùng TRSA với các kĩ
thuật truy nhập vô tuyến khác nhau ..........................................................................54
Hình 2.13. Cấu trúc phân cấp của các bộ cache lưu module phần mềm...................56
Hình 2.14. Ví dụ về một quá trình tái cấu hình hàng loạt được khởi tạo từ một
server bên ngoài với việc sử dụng multicast IP ........................................................59
Hình 3.1. Kiến trúc bộ ngoại sai trung tần kép truyền thống ....................................61
với việc hạ tần vng góc ở tầng trung tần thứ 2 ......................................................61
Hình 3.2. Kiến trúc bộ ngoại sai trung tần số ..........................................................62
với việc hạ tần vng góc được thực hiện trong miền số .........................................62
Hình 3.3. Kiến trúc bộ thu (zero-IF) chuyển đổi trực tiếp ........................................64

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 3.4. Kiến trúc bộ thu số trung tần thấp .............................................................66
Hình 3.5. Bộ thu lấy mẫu thơng dải đồng nhất (UBPS)............................................68
Hình 3.6. Bộ thu lấy mẫu thơng dải vng góc (QBPS) ...........................................69
Hình 4.1. Sơ đồ chức năng hệ thống sẽ mơ phỏng ...................................................72
Hình 4.2. Cấu trúc khung dữ liệu ..............................................................................72
Hình 4.3. Các tham số điều chế/giải điều chế FSK...................................................73
Hình 4.4. Sơ đồ thực hiện điều chế I/Q .....................................................................74
Hình 4.5. Sơ đồ thực hiện giải điều chế I/Q ..............................................................74
Hình 4.6. Sơ đồ giải điều chế FSK dùng Discriminator ...........................................76
Hình 4.7. Sơ đồ thực hiện phép nhân phức cho tính sai pha .....................................76
Hình 4.8. Hiệu năng của điều chế và giải điều chế FSK...........................................77
Hình 4.9. Minh họa luồng xử lý dữ liệu trong waveform nhảy tần VHF .................78
Hình 4.10. Xử lý đóng khung trong chế độ 0 ...........................................................78
Hình 4.11. BER của chế độ 0 ....................................................................................79
Hình 4.12. Xử lý đóng khung trong chế độ 1 ...........................................................79
Hình 4.13. BER của chế độ dữ liệu 1 ........................................................................80

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

7

LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Nội dung

Ý nghĩa

3G

Third Generation Network

Mạng thế hệ thứ 3

3GPP

Third Generation Partnership Project

Dự án hợp tác nghiên cứu
mạng thế hệ thứ 3

4G

Fourth Generation Network

Mạng thế hệ thứ 4

AAA

Authentication,
Accounting

ADC

Analog to Digital Converter

Bộ chuyển đổi từ tín hiệu
tương tự sang tín hiệu số

AM

Amplitude Modulation

Điều biên

AP

Access Point

Điểm truy nhập

API

Application Programming Interface

Giao diện lập trình ứng
dụng

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Cơ chế truyền tải không
đồng bộ

BB

Baseband

Băng cơ bản

BCMP

Baskett, Chandy, Muntz and Palacios Mạng do Baskett, Chandy,
Network
Muntz &Palacios phát triển

BER

Bit Error Rate

Tốc độ lỗi bit

BMM

Bandwidth Management Module

Phân hệ quản lý băng
thông

BPF

Bandpass Filter

Bộ lọc thông dải

BSS

Base Station System

Hệ thống trạm gốc

CBC

Cell Broadcast Centre

Trung tâm truyền thông
quảng bá

CCBS

Customer Care and Billing System

Hệ thống tính chăm sóc

NGUYỄN HỒNG HUY THƠNG
LỚP KTTT-2012B

Authorisation

and Nhận thực, Quản trị và
Tính cước

8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

khách hàng và tính cước
CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia
theo mã

CMM

Configuration Management Module

Phân hệ quản lý cấu hình

CMOS

Complementary
Semiconductor

DAC

Digital to Analog Converter

Bộ chuyển đổi từ tín hiệu
số sang tín hiệu tương tự

DC

Direct Current

Dịng điện một chiều

DNS

Domain Name System

Hệ thống tên miền

DSL

Digital Subscriber Line

Đường thuê bao số

DSM

Distributed Shared Memory

Bộ nhớ phân vùng

DSP

Digital Signal Processor

Bộ xử lí tín hiệu số

DTMF

Dual Tone Multi Frequency

Đa tần âm kép

EMF

Electromagnetic Field

Trường điện từ

ETSI

European Telecommunications Standards Viện tiêu chuẩn viễn thông
Institute
châu Âu

EVM

Error Vector Magnitude

Biên độ vector lỗi

FIR

Finite Impulse Response

Đáp ứng xung chiều dài
hữu hạn

FPGA

Field Programmable Gate Array

Cơng nghệ IC khả trình

GE

Gigabit Ethernet

Ethernet cỡ Gigabit

GGSN

Gateway GPRS Support Node

Nút hỗ trợ cổng GPRS

GPP

General Purpose Processor

Bộ xử lí tổng qt

GPRS

General Packet Radio Service

Hệ thống vơ tuyến gói
chung

NGUYỄN HỒNG HUY THƠNG
LỚP KTTT-2012B

Metal-Oxide- Linh kiện bán dẫn kim
loại- oxit bù

9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Global
System
Communications

HAWAII

Handoff-Aware Wireless Access Internet Cơ sở hạ tầng Internet truy
Infrastructure
cập không dây

HIPERLAN/2

High Performance Radio Local Area Mạng cục bộ tốc độ cao
Network Type 2
dạng 2

HLR

Home Location Register

Bộ lưu trữ vị trí thuê bao

HMIP

Hierarchical Mobile Internet Protocol

Giao thức Internet di động
phân cấp

HRM

Home Reconfiguration Manager

Bộ quản lý tái cấu hình lõi

I/O

Input/ Output

Đầu vào/ Đầu ra

I/Q

In-phase/ Quadrature

Thành phần pha/vng pha

ID

Identification

Chỉ số xác định

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Hiệp hội các kĩ sư điện và
Engineers
điện tử

IF

Intermediate Frequency

Trung tần

IIR

Infinite Impulse Response

Đáp ứng xung chiều dài vô

hạn

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

ISP

Internet Service Provider

Bộ cung cấp dịch vụ
Internet

IU

Traffic User Interface

Giao diện người dùng

IWU

Interworking Unit

Đơn vị làm việc liên kết

JRRM

Joint Radio Resource Management

Quản lí tài nguyên vô
tuyến kết hợp

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

LNA

Low Noise Amplifier

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

for

Mobile Hệ thống thơng tin di động
tồn cầu

GSM

10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LO

Local Oscillator

Bộ tạo dao động nội

LPF

Low-Pass Filter

Bộ lọc thông thấp

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng khu vực đô thị

MBMS

Multimedia Broadcast/ Multicast Service

Quảng bá đa phương tiện/
Dịch vụ truyền đa điểm

MExE

Mobile Execution Environment

Môi trường triển khai di
động

MG

Media Gateway

Cổng truyền thông

MGC

Media Gateway Controller

Bộ điều khiển cổng truyền
thông

MIMM

Mode Identification
Module

and

Monitoring Phân hệ xác định và giám
sát mode

MNSM

Mode Negotiation
Module

and

Monitoring Phân hệ đàm phán và giám
sát mode

MPLS

Multi Protocol Label Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao
thức

MS

Mobile Station

Trạm di động

MSC

Mobile Switching Centre

Trung tâm chuyển mạch di
động

NACK

Non-acknowledge

Tín hiệu báo mất bản tin

NGN

Next Generation Network

Mạng thế hệ tiếp theo

NII

National Information Infrastructure

Kiến trúc hạ tầng thông tin
quốc gia

NSS

Network Switching System

Hệ thống chuyển mạch

OTA

Over the air

Phương thức truyền qua
đường vơ tuyến

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

PCM

Pulse Code Modulation

Điều xung mã

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

11


LUẬN VĂN THẠC SĨ

PRM

Proxy Reconfigurable Manager

Quản lý tái cấu hình proxy

PSTN

Public Service Telephone Network

Mạng điện thoại chuyển
mạch công cộng

QBPS

Quadrature Bandpass Sampling

Lấy mẫu thông dải bậc 4

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RAT

Radio Access Technology

Kĩ thuật truy nhập vô tuyến

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RNC

Radio Network Controller

Bộ điều khiển mạng vô
tuyến

RNS

Radio Network System

Hệ thống mạng vô tuyến

RRM

Radio Resource Management

Quản lý tài nguyên vô
tuyến

RSVP

Resource Reservation Protocol

Giao thức chiếm dụng tài
nguyên

SDH

Synchronous Digital Hierarchy

Phân cấp số đồng bộ

SDM

Service Deployment Manager

Bộ quản lý triển khai dịch
vụ

SDR

Software Defined Radio

Vô tuyến phần mềm

SG

Signalling Gateway

Cổng báo hiệu

SGSN

Service GPRS Support Node

Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS

SIP

Session Initiation Protocol

Giao thức khởi tạo phiên

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

SoC

Programmable System on Chip

Hệ thống lập trình trên
Chip

SRM

Serving Reconfiguration Manager

Bộ quản lý tái cấu hình
dịch vụ

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

12

LUẬN VĂN THẠC SĨ

SS7

Signalling System No.7

Hệ thống báo hiệu số 7

SSB

Single-Side Band

Điều biên đơn biên

TCP

Transmission Control Protocol

Giao thức
truyền dẫn

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia
theo thời gian

TOA

Time of Arrival

Thời gian đến

TRSA

Terminal Reconfiguration Serving Area

Vùng phục vụ tái cấu hình
thiết bị đầu cuối

TV

Television

Vơ tuyến truyền hình

UBPS

Uniform Bandpass Sampling

Lấy mẫu thơng dải đồng
nhất

UMTS

Universal Mobile Telecommunications Hệ thống viễn thơng di
System
động tồn cầu

UTRAN

Ultra Terrestrial Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến
vệ tinh

VGA

Variable Gain Amplifier

Bộ khuếch đại có hệ số
khuếch đại thay đổi

VHE

Virtual Home Environment

Môi trường nội ảo

WAP

Wireless Access Prorocol

Giao thức truy nhập không
dây

WCDMA

Wideband
Access

WDM

Wavelength Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo
bước song

wISP

wireless Internet Service Provider

Bộ cung cấp dịch vụ
Internet không dây

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng cục bộ khơng dây

NGUYỄN HỒNG HUY THƠNG
LỚP KTTT-2012B

Code

Division

điều

khiển

Multiple Đa truy nhập phân chia
theo mã băng rộng

13


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SDR
Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, nhu
cầu thông tin liên lạc của con người ngày càng trở nên đa dạng, đồng thời nó địi hỏi
các thiết bị vô tuyến vừa phải hiệu quả về mặt kinh tế, vừa phải dễ dàng sử dụng và
nhất là cần đáp ứng yêu cầu hội tụ mạng. Kỹ thuật SDR chính là câu trả lời hồn
hảo nhất cho vấn đề này. Chương này sẽ giới thiệu những vấn đề chung nhất để có
được cái nhìn tổng qt về SDR.
1.1. Định nghĩa SDR
Tổ chức SDR Forum cộng tác với nhóm IEEE P1900.1 đã đưa ra một khái
niệm về hệ thống vô tuyến được định nghĩa mềm (SDR- Software Defined Radio)
như sau:
“Là một hệ thống vơ tuyến mà trong đó một số hoặc tất cả các chức năng lớp vật lý
được định nghĩa mềm”
Kĩ thuật SDR mang đến một giải pháp tương đối rẻ và hiệu quả, cho phép hỗ
trợ các thiết bị không dây đa mode, đa băng và/hoặc đa chức năng mà có thể được
nâng cấp sử dụng phần mềm.
SDR chứa một tập hợp các kĩ thuật phần cứng và phần mềm trong đó một số
hoặc tất cả các chức năng hoạt động của hệ thống vô tuyến được triển khai thơng

qua các phần mềm/ phần cứng có khả năng điều chỉnh hoạt động trên các kĩ thuật
xử lí khả trình. Những thiết bị này bao gồm FPGA (Field Programmable Gate
Array), DSP (Digital Signal Processor), GPP (General Purpose Processor), SoC
(Progammable System on Chip) hay các bộ xử lí khả trình khác. Việc sử dụng
những cơng nghệ này cho phép các đặc tính wireless mới được thêm vào các hệ
thống vơ tuyến đang tồn tại mà khơng cần địi hỏi phần cứng mới.

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

14


LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.2. Kiến trúc SDR tổng quát
Trong tài liệu số SDRF-01-P-0006-V2.0.0, SDR Forum đã đưa ra sơ đồ kiến
trúc tổng quát như sau [2]:

Hình 1.1. Kiến trúc SDR tổng quát
Chúng ta sẽ mô tả các chức năng của đường thu từ trái sang phải. Đường
phát cũng tương tự, chỉ khác là theo luồng ngược lại. Chức năng của các thành phần
trong sơ đồ:
- Ănten: có thể là một ănten lưỡng cực đơn giản hay một ănten giàn pha phức tạp.
Nó phân phối năng lượng là một trường điện từ cao tần (RF emf) trong hệ thống.
- RF/IF (Radio frequency/ Intermediate frequency): Là nơi diễn ra quá trình xử lí tín
hiệu tương tự cần thiết. Các bộ tiền chọn lọc giới hạn năng lượng đầu vào tới các
tần số mong muốn. Các bộ giảm “co-site mitigator” sẽ hồi tiếp các tín hiệu nhiễu
nội đã biết được đảo ngược để triệt tiêu chúng. Một bộ dao động nội giảm tín hiệu
xuống trung tần. Các thành phần dung kháng và cảm kháng cần thiết cho trong bước

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

15


LUẬN VĂN THẠC SĨ

này sẽ làm tăng chi phí, tạo ra tạp âm trong tín hiệu và làm giảm tính linh động của
trang thiết bị. Điều này cần được giảm xuống càng nhiều càng tốt.
- Modem: Sự chuyển đổi tương tự-số được thực hiện ở đầu ra hoặc đầu vào của bộ
phận RF/IF. Đây là nơi đây bắt đầu quá trình xử lí tín hiệu số để tách tín hiệu mong
muốn ra khỏi tín hiệu gốc đã được số hóa. Các tín hiệu khơng mong muốn sẽ được
loại bỏ và các bit băng cơ sở sẽ được giải điều chế từ tín hiệu bằng cách áp dụng
biến đổi điều biến ngược.
- Bộ xử lí liên kết: có chức năng kiểm soát và điều khiển các hoạt động nhằm tăng
cường liên kết dựa trên thông tin điều khiển và dữ liệu từ modem. Đây là nơi xử lí
các thơng số đo cường độ tín hiệu, điều khiển cơng suất, nhu cầu hay khả năng
chuyển giao, nhảy tần, điều khiển ănten và dữ liệu thời gian đến (TOA- Time of
Arrival).
- Bảo mật: Nếu hệ thống có thực hiện mã hóa mã mật thì giải mã mật cũng được
thực hiện ở đây. Bất kì thơng tin nào trong hệ thống cần được bảo vệ vì các mục
đích an ninh thì cũng được xử lí trong module này.
- Vào/ra và xử lí cuộc gọi/tin nhắn: Phân phối lưu lượng tới phần còn lại của hệ
thống. Việc chuyển đổi tốc độ từ một cơ chế mã hóa tiếng nói sang một dạng khác
được thực hiện tại khối chức năng này. Vào/ra và xử lí cuộc gọi/tin nhắn cung cấp
truy nhập tới các mạng khác và các giao thức khác nhau tùy theo dạng ứng dụng đã
được thiết kế cho phiên làm việc cụ thể.
Với quá trình phát, luồng dữ liệu chảy theo chiều ngược lại, từ phải sang trái.
Sự khác nhau cơ bản giữa phát và thu là sự xuất hiện các bộ khuếch đại công suất

trong bộ phận RF/IF để chạy ănten.
1.3. Lịch sử ra đời
Thuật ngữ SDR được đưa ra năm 1991 bởi Joseph Mitola [3], người đã xuất
bản bài báo đầu tiên về chủ đề này năm 1992. Mặc dù vậy, những hệ thống SDR đã
được bắt nguồn từ lĩnh vực quốc phòng từ cuối những năm 1970 ở cả Mỹ và châu

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

16


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Âu. Hệ thống vô tuyến phần mềm đầu tiên là một dự án của quân đội Mỹ mang tên
SpeakEasy. Mục đích căn bản của dự án này là sử dụng việc xử lí khả trình để mơ
phỏng hơn 10 hệ thống vô tuyến quân đội đang tồn tại, hoạt động trong các băng tần
từ 2 đến 2000MHz. Hơn thế nữa, mục đích thiết kế khác là để có thể kết hợp một
cách dễ dàng với các chuẩn mã hóa và điều chế mới trong tương lai, do đó thơng tin
liên lạc trong qn đội có thể bắt kịp với các tiến bộ trong các công nghệ mã hóa và
điều chế.
Từ cuối những năm 1995, SDR tiếp tục được phát triển thêm sang cả mục
đích thương mại và ngày càng phát triển kể cả cho tới hiện nay, đặc biệt là ở Mỹ,
Nhật và châu Âu. [3]
1.4. Ƣu nhƣợc điểm
1.4.1. Ƣu điểm vƣợt trội của hệ thống SDR
- Với những nhà sản xuất thiết bị vô tuyến và những nhà tích hợp hệ thống, SDR
cho phép:
+ Một họ các sản phẩm vô tuyến được triển khai sử dụng một kiến trúc nền chung,
cho phép các sản phẩm mới được nhanh chóng giới thiệu ra thị trường.

+ Phần mềm nhằm tái sử dụng qua các sản phẩm vô tuyến, giảm đáng kể chi phí
phát triển.
+ Việc lập trình lại “Over-the-air” (OTA) cho phép sửa lỗi ngay trong khi một hệ
thống vơ tuyến đang trong phiên làm việc, do đó giảm thời gian và những chi phí
liên quan đến vận hành và bảo dưỡng.
- Với những nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến, SDR cho phép:
+ Các khả năng và đặc tính mới được bổ sung vào cơ sở hạ tầng hiện có mà khơng
cần địi hỏi tiêu tốn lượng vốn lớn mới, cho phép các nhà cung cấp dịch vụ kiểm tra
thử gần giống trong tương lai các mạng của họ.

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

17


LUẬN VĂN THẠC SĨ

+ Việc sử dụng một nền tảng vô tuyến chung cho nhiều thị trường sẽ giảm một cách
đáng kể các chi phí hoạt động và trợ giúp.
+ Tải phần mềm từ xa, thơng qua đó tăng dung lượng hệ thống, kích hoạt các bản
nâng cấp khả năng hệ thống và chèn thêm vào các đặc tính tạo ra lợi nhuận mới.
- Với những người sử dụng cuối- từ những người kinh doanh có nhu cầu đi lại nhiều
tới những người lính trên chiến trường, kĩ thuật SDR hướng tới mục tiêu:
+ Giảm chi phí trong việc cung cấp cho người sử dụng cuối khả năng truy cập tới
mạng thông tin không dây rộng khắp, cho phép họ có thể liên lạc với bất cứ ai họ
cần, bất kì lúc nào họ muốn và trong bất cứ phương thức nào thích hợp.
1.4.2. Những hạn chế hiện nay khi triển khai giải pháp SDR
Thứ nhất, rất khó để triển khai chỉ một anten và một bộ khuếch đại tạp âm thấp
để phục vụ một băng thông trải từ hàng trăm MHz đến vài GHz, ví dụ như để phủ

sóng các băng của mọi mạng khơng dây 4G như hình sau [6]:

Hình 1.2. Phổ di động sử dụng ở châu Âu ( theo nguồn Jondral, 1999)

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

18


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Với các cơng nghệ hiện nay thì giải pháp duy nhất là sử dụng rất nhiều phần
analog để làm việc trong các băng tần khác nhau. Điều này rõ ràng sẽ làm tăng độ
phức tạp trong thiết kế cũng như tăng kích thước của thiết bị đầu cuối.
Thứ hai là hiệu năng của bộ ADC (Analog-to-Digital Conversion) vẫn chưa
đủ để biểu diễn trong q trình số hóa của tất cả các chuẩn wireless hiện có ở tần số
vô tuyến. Cụ thể, độ rộng băng tần đầu vào analog, tốc độ lấy mẫu, dải động và do
đó cả độ phân giải sẽ cần một lượng đáng kể những cải tiến công nghệ nếu như thiết
bị đầu cuối băng rộng và tốc độ lấy mẫu ở RF đều đạt lí tưởng.
Thứ ba là để cho phép việc thực hiện trong thời gian thực các chức năng giao
diện radio thực hiện bằng phần mềm như chuyển đổi tần số, lọc số và trải phổ thì
cần phải sử dụng các bộ DSP song song. Điều này đồng thời cũng tạo ra những vấn
đề như độ phức tạp của mạch cao, tiêu thụ cơng suất lớn và sự lãng phí.

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

19

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƢƠNG 2. KIẾN TRÚC VÀ TÍNH NĂNG
MẠNG SDR
Nếu như chương 1 đã trình bày những vấn đề tổng quan ban đầu về hệ thống
SDR, chương 2 tiếp tục sẽ đi sâu phân tích chi tiết về kiến trúc và tính năng của một
hệ thống SDR, cả khía cạnh các thiết bị đầu cuối cũng như khía cạnh hệ thống.
2.1. Những yêu cầu cho quá trình tái cấu hình
2.1.1. Về mặt hệ thống
a) Các kỹ thuật chia sẻ phổ nâng cao
Sự phân phối phổ hiện tại không khai thác được hết sự linh động của những
khái niệm vô tuyến có khả năng tái cấu hình. Bởi vì chúng được dành cho các hệ
thống radio với các tiêu chuẩn tần số đã được xác định cứng trước mà không thể
chia sẻ nguồn phổ một cách dễ dàng. Quan trọng là sự tác động của việc chia sẻ tài
nguyên lên hiệu suất hệ thống và những lợi ích hiệu suất tiềm năng của các kĩ thuật
khác nhau cho việc chia sẻ phổ. Các ngữ cảnh bao gồm: nhiều vùng phổ tần số với
một người điều hành mạng sử dụng nhiều công nghệ mạng, hoặc là với nhiều người
điều hành mạng chia sẻ cùng một vùng tần số.
b) Việc xác định mode thay thế
Để chọn hoặc chọn lại mode trong các thiết bị đầu cuối radio có khả năng tái
cấu hình, đầu tiên cần phải xác định các mode nào là sẵn sàng với thiết bị đầu cuối
đó. Các kĩ thuật xác định và giám sát có thể được phân loại thành “bị che” hoặc
“được trợ giúp”. Phương pháp “bị che” đặt một khối lượng công việc lớn lên các
thiết bị cuối, để chúng tự thực hiện một cách hoàn toàn mà khơng cần sự hỗ trợ bên
ngồi hay các kiến thức nâng cao và độ phức tạp liên quan. Trong khi đó thì phương
pháp “được trợ giúp” lại đơn giản hơn vì thiết bị đầu cuối được hoạt động với thơng
tin nào đó về mơi trường.

NGUYỄN HỒNG HUY THƠNG

LỚP KTTT-2012B

20


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Các kết luận rút ra từ dự án 3GPP/ETSI (Third Generation Partnership
Project/ European Telecommunications Standards Institutes) làm việc trên các kênh
dẫn đường chỉ ra rằng sự giống nhau của một kênh hay một tập hợp kênh quốc tế
đang được cung cấp là rất thấp. Điều này không phải do bất kì giới hạn kĩ thuật nào
mà là do những lý do thương mại và chính trị [4].
Xem xét các điểm trên cho thấy các cách hỗ trợ chủ yếu để tăng cường sự
chấp nhận rộng rãi đó là các phương pháp thông tin đại chúng và các dịch vụ quảng
bá mode thay thế. Đây là những phương pháp mà thiết bị cuối có thể cập nhật thơng
tin về các vị trí tần số và việc triển khai hệ thống trong khi đang trong phiên phục
vụ. Điều này yêu cầu hỗ trợ bởi các phần tử mạng, chịu trách nhiệm đầu tiên là thu
thập và sau đó là vận chuyển thông tin theo yêu cầu của thiết bị cuối.
c) Việc chuyển mode
Việc chuyển mode bao gồm các tiêu chuẩn cần thiết để chuyển từ một mode
này sang mode khác. Vì yêu cầu của người sử dụng phải được cân nhắc kĩ lưỡng
nên việc lựa chọn mode phải tính đến các dữ liệu đã có trước đó, hoạt động của
người sử dụng, các mode sẵn sàng và các dịch vụ mang theo, cũng như các mức tín
hiệu được đo lường trong quá trình giám sát.
Các tham số dịch vụ mang trong hồ sơ dịch vụ người sử dụng nên dựa trên
những khái niệm sẽ được kiểm chứng trong tương lai (ví dụ như các lớp UMTS
QoS). Điều này sẽ cho phép vận chuyển các dạng khác nhau của dữ liệu với các yêu
cầu QoS (Quality of Service) khác nhau đảm bảo sự làm việc tương tác thích hợp
giữa tất cả các công nghệ mạng đang tồn tại.
VHE (Virtual Home Environment) là một khái niệm quan trọng cho việc

chuyển mode vì mục đích cuối cùng của radio tái cấu hình là cung cấp dịch vụ trong
suốt cho người dùng cuối không phụ thuộc vào hệ thống mạng mà thiết bị đầu cuối
kết nối vào. Những người sử dụng thậm chí khơng cần biết thiết bị cuối đã được tái
cấu hình để hoạt động trong giao diện vô tuyến mới và đang sử dụng các dịch vụ từ
một mạng mới. Để đạt được mục đích này, các thiết bị đầu cuối cần phải cố gắng
NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

21


LUẬN VĂN THẠC SĨ

thể hiện giống nhau (same “look and feel”) đối với những người dùng, không quan
tâm đến khi nào, ở đâu và mạng nào cũng như dịch vụ nào đang được sử dụng
tương ứng với những tiềm năng của thiết bị đầu cuối.
Ở đó nên có cơ chế kiểm tra/ báo cáo khả năng và sự thể hiện của các
module đã được tái cấu hình liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ được yêu cầu.
Sự trao đổi đàm phán giữa khả năng và nội dung được yêu cầu trong MexE (Mobile
Execution Environment) có thể được mở rộng ra phục vụ cho q trình đàm phán
giữa tính tương thích và khả năng giữa module phần mềm đã được download và
thành phần phần cứng tương ứng của nó.
Cần phải nghiên cứu môi trường đặc biệt dành cho trao đổi đàm phán mặc dù
xu hướng hiện nay là ủy thác những quá trình nặng như vậy cho các thành phần
thông minh đã được đặt tại phần hệ thống cố định. Do đó, những tiền yêu cầu để
cung cấp khả năng chuyển đổi liền mạch dựa vào tính thơng minh của thiết bị đầu
cuối giữa thiết bị và mạng; các thành phần proxy (ví dụ như PRM) trở thành những
bổ sung kiến trúc đích. Hơn thế nữa, chúng có thể được tăng lên với các hệ thống tổ
chức để cho phép thực hiện các hoạt động không kết nối và không đồng bộ đã được
ủy quyền.

d) Tài nguyên vô tuyến cho việc download
Những mặt kênh download vô tuyến coi như việc tải phần mềm xuống thông
qua giao diện vô tuyến địi hỏi những cơ chế mà có thể hỗ trợ một cách hiệu quả
chức năng này theo nghĩa tổng quát. Điều này sẽ cho phép sử dụng các cơ chế như
nhau trên các công nghệ Mạng truy nhập vô tuyến (RAN-Radio Access Network)
khác nhau, ví dụ như GSM hoặc HIPERLAN/2. Người ta đã xem xét hai khía cạnh
của việc download là những hệ quả của việc download đối với lưu lượng người
dùng bình thường và những cơ chế để đảm bảo hiệu quả download. Các thuật toán
Quản lý tài nguyên vơ tuyến thích ứng (RRM-Adaptive Radio Resource
Management), các kĩ thuật nén và các giao thức tối ưu hóa khơng dây cần được phát
triển để giảm thiểu những hệ quả năng lực mạng của việc tái cấu hình thiết bị đầu

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

22


LUẬN VĂN THẠC SĨ

cuối. Ảnh hưởng của những việc download phần mềm lên những người dùng khác
cũng cần được nghiên cứu để xác định những cơ chế thích hợp nhất.
Do đó, khả năng ứng dụng của những bộ phận Quản lý tài nguyên vô tuyến
liên kết ( JRRM-Joint Radio Resource Management) tạo nên sự tăng về dung lượng
hệ thống và chất lượng dịch vụ cung cấp cho người dùng. Các kiến trúc kết hợp
trong lĩnh vực này là phần bổ trợ cho việc chia sẻ phổ, nhằm tăng việc sử dụng các
nguồn tài nguyên radio như đã trình bày trước đây. Thêm vào đó, một phương pháp
để tăng việc giảm độ rộng băng thông được yêu cầu là ưu tiên và lập kế hoạch
download một cách hiệu quả cùng với rất nhiều tham số. Giải pháp này tận dụng
một phương pháp mở rộng những quan điểm RRM cho việc giảm băng thơng, nơi

mà các q trình tương tác giữa bộ phận quản lí cấu hình và các thành phần JRRM
cần phải tính tốn đến phần mềm nào sẵn sàng trong thiết bị đầu cuối, nhằm mục
đích tối thiểu hóa việc nâng cấp với những mở rộng nhỏ.
e) Quản lý cấu hình
Quản lý cấu hình nhằm định vị những vấn đề tăng lên do sự cùng tồn tại của
những phiên bản kết hợp đa phần cứng và phần mềm. Những phiên bản kết hợp của
có vẻ là cùng những bộ phận thiết bị hoặc phần mềm như vậy hiện nay xuất hiện
khá phổ biến, do những nhà buôn bán phần cứng và phần mềm nỗ lực để duy trì khả
năng tiêu thụ của những sản phẩm của họ. Rõ ràng là tầm quan trọng của việc quản
lý cấu hình tăng đáng kể khi thiết bị đầu cuối có khả năng tái cấu hình tốt hơn với
sự kết hợp gần như khơng giới hạn của phần mềm và ứng dụng hệ thống.
Việc sử dụng một mơi trường xử lí được phân bố chung tạo điều kiện cho sự
độc lập về nền platform trong thiết bị đầu cuối tái cấu hình. Tuy nhiên, trong khi
những vấn đề nào đó được đơn giản đi thì những vấn đề khác lại tăng lên, ví dụ như
việc sử dụng phần mềm trung gian trong một môi trường bị giới hạn về hiệu suất,
bộ nhớ và băng thông. Cần thực hiện nhiều việc hơn trên phần mềm trung gian đã
được tối ưu hóa cho các mơi trường wireless, thời gian thực và hệ thống nhúng.

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

23


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.1.2. Quá trình tái cấu hình
Những yêu cầu được đặt lên quá trình tái cấu hình kết hợp trong một tập tổng
quát các chức năng tuần tự. Các giả thuyết được xác định cung cấp một tầm nhìn
mức cao của các sơ đồ riêng mà cần được cân nhắc để hỗ trợ việc tái cấu hình của

các thiết bị đầu cuối trong mọi tình huống thực tế. Và dưới đây là một khung ngữ
cảnh tái cấu hình [4]:

Hình 2.1. Khung ngữ cảnh tái cấu hình

NGUYỄN HỒNG HUY THÔNG
LỚP KTTT-2012B

24