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