Các mạng thông tin vô tuyến đề tài sim uwb 4 02

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG I - - MÔN HỌC CÁC MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN Đề tài : “SIM UWB 4.02” Giảng viên: THẦY NGUYỄN VIẾT ĐẢM Hà Nội, tháng 2/2022 Mục lục I SIM_UWB_4.02a Lí thuyết Mô II SIM_UWB_4.02b Lí thuyết Mô 12 2|Page I.SIM_UWB_4.02a Lí thuyết Mơi trường truyền sóng kênh vơ tuyến nhà ngồi trời có thành phần LOS NLOS Hàm mật độ xác suất tín hiệu thu mơi trường LOS theo phân bố Rice, cịn mơi trường NLOS theo phân bố Rayleigh Hình minh họa mơi trường LOS NLOS, đường truyền A thành phần LOS, đường truyền B thành phần phản xạ, đường truyền C thành phần tán xạ đường truyền D thành phần nhiễu xạ Hình Ta cần lưu ý rằng, với tín hiệu thu mơi trường truyền dẫn vơ tuyến coi tổng tín hiệu thu từ vơ hạn số tán xạ Theo định lý giới hạn trung tâm, tín hiệu thu coi biến ngẫu nhiên Gausơ Nói cách khác, kênh vơ tuyến phải chịu pha đinh đa đường hình trình bày biến ngẫu nhiên Gausơ phức W1 + jW2 , W1 W2 biến ngẫu nhiên Gausơ độc lập thống kê trung bình khơng phương sai 𝜎 Gọi X biên độ biến ngẫu nhiên Gausơ phức W1 + jW2 ta có = √𝑊1 + 𝑊2 Khi X biến ngẫu nhiên phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất : 𝒇𝒙 (𝒙) = 𝒙 𝝈𝟐 𝒙𝟐 − 𝒆 𝟐𝒙𝟐 (1) - Trong 2𝜎 = 𝐸 {𝑋 } Tiếp theo, ta xét cách tạo biến ngẫu nhiên Rayleigh X Trước hết, ta tạo biến ngẫu nhiên Gausơ phân bố đồng độc lập thống kê i.i.d có trung bình khơng đồng phương sai, Z1 Z2 hàm Matlab sẵn có “randn” Khi biến ngẫu nhiên X phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất phương trình (1) trình bày sau: 3|Page 𝑿 = 𝝈 √𝒁𝟏 𝟐 + 𝒁𝟐 𝟐 (2) - Trong Z1 ~ N(0, 1) Z2 ~ N(0, 1) Tạo biến ngẫu nhiên Z1 Z2 hàm Matlab “randn”, biến ngẫu nhiên phân bố Rayleigh, X có cơng suất trung bình 𝟐𝝈𝟐 = 𝑬{𝑿𝟐 } Trong môi trường LOS, tồn đường truyền mạnh không bị ảnh hưởng suy hao, phản xạ, nhiễu xạ hay tán xạ, biên độ tín hiệu thu biểu diễn 𝑋 = 𝑐 + 𝑊1 + 𝑗𝑊2 c thành phần LOS W1 W2 biến ngẫu nhiên Gaussơ phân bố đồng độc lập thống kê (i.i.d) có trung bình khơng phương sai 𝜎 môi trường NLOS X biến ngẫu nhiên Rice có hàm mật độ xác suất (pdf): 𝒇𝒙 (𝒙) = 𝒙 𝝈𝟐 − 𝒆 𝒙𝟐 +𝒄𝟐 𝒙𝒄 𝑰 ( ) 𝟐𝒙𝟐 𝟎 𝝈𝟐 (3) - Trong I0(.) hàm Bessel cải tiến loại bậc không Lưu ý rằng, phương trình (3) biểu diễn theo hệ số Rice K : 𝑐2 𝐾= 𝜎 - trường hợp khơng có thành phần LOS (K = 0) phương trình (3) trở thành hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh (1) môi trường NLOS Khi K tăng, phương trình (3) có xu hướng trở thành pdf phân bố Gausơ Nói chung, ta thường giả thiết rằng, K ~ - 40 dB kênh pha đinh Rayleigh K > 15 dB cho kênh Gausơ Mơ Chương trình Matlab thực tính tốn, mơ biểu diễn phân bố kênh pha đinh Rayleigh kênh pha đinh Rice cho chương trình Sim_UWB 4.02 ❖ : Chương trình thực mơ tạo kênh pha đinh phân bố Rayleigh Chương trình nhận số lượng thực kênh, L Đầu chương trình vector kênh có phân bố Rayleigh, H Lệnh thực chương trình là: [H] = uwb40201_Ray_model(L) ❖ Mô tạo kênh pha đinh phân bố Rice Chương trình nhận hai đầu vào: hệ số Rice, K_dB; số lần thực kênh, L Đầu chương trình vector kênh có phân bố Rician, H Lệnh thực chương trình là: [H] = uwb40202_Ric_model(K_dB, L) ➢ Tham số mô 4|Page ➢ Thực mô tạo kênh phadinh phân bố Rayleigh ➢ Thực mô tạo kênh fading phân bố Rice ➢ Kết mô → Nhận xét : Mật độ xác suất kênh fading phân bố Rayleigh Rice K = -40dB tương đối giống - Giống với lí thuyết K nhỏ ~ = hàm mật độ phân bố xác suất Rice giống với hàm mật độ phân bố xác suất Rayleigh 5|Page ➢ Đoạn mã thực chương trình : • SIM_UWB_4.02a Câu lệnh STT Ý nghĩa Clc ; Xóa cửa sổ lệnh Clear ; Close all ; Xóa mục khỏi khơng gian làm việc, giải phóng nhớ hệ thống Xóa tất hình định N level = 30; - Khai báo level = 30 K_dB = [-40 15]; - Khai báo hệ số K theo dB gồm giá trị -40 15 Rayleigh_ch Rician_ch Rayleigh_ch = uwb40201_Ray_model(N); - Gán giá trị đầu function uwb40201_Ray_model với tham số đầu vào N vào Rayleigh_ch 10 [temp,x] = hist(abs(Rayleigh_ch(1,:)),le vel); - Lấy giá trị đầu hàm hist với đầu vào Rayleigh_ch(1,:)) level gàn vào temp x 11 for i=1:length(K_dB); (*) = 200000; Chú thích Khai báo N – số lần thực cho kênh mô = zeros(1,N); Khai báo Rayleigh_ch mảng toàn gồm hàng x N cột = zeros(2,N); Khai báo Rician_ch mảng toàn gồm hàng x N cột -(*) Bắt đầu vòng lặp for cho i Rician_ch(i,:)=uwb40202_Ri chạy từ -> length(K_dB) c_model(K_dB(i),N); (2) (2) Tất cột hàng thứ % Pro 4.06 i Rician_ch(i,:) gán đầu function [temp x]=hist(abs(Rician_ch(i,:)),le uwb40202_Ric_model với đầu vào K_dB N vel); (3) plot(x,temp,['k-' (3) temp x đầu hàm 6|Page marker(i+1)],'linewidth',1.5,' color','r'); (4) end (5) hist (4) Vẽ đồ thị kiểu plot x theo temp (5) Kết thúc vòng for (*) 12 Các câu lệnh để vẽ đồ thị • UWB_40201_Ray_model STT Câu lệnh Ý nghĩa function H = uwb40201_Ray_model(L) Khởi tạo function uwb40201_Ray_model với đầu H đầu vào L Chú thích - L : Số lần thực kênh - H : Ma trận kênh H= (randn(1,L)+j*randn(1,L))/s qrt(2); Gán H theo cơng thức (randn(1,L)+j*randn(1,L))/sqrt( 2); • UWB_40201_Ric_model STT Câu lệnh Ý nghĩa function H = uwb40202_Ric_model(K_dB, L) Khởi tạo function uwb40201_Ric_model với đầu H đầu vào K_dB L Chú thích - L : Số lần thực kênh - H : Ma trận kênh K=10^(K_dB/10); Gán K = 10^(K_dB/10); % đổi sang tuyến tính 7|Page H = sqrt(K/(K+1)) + - Gán H = H = sqrt(K/(K+1)) sqrt(1/(K+1))*uwb40201_Ray + _model(L); sqrt(1/(K+1))*uwb40201_Ray _model(L); 8|Page II.SIM_UWB_4.02b Lí thuyết Đáp ứng xung kim kênh cho kênh vô tuyến pha đinh di động thay đổi theo thời gian thường mơ hình hóa dạng đường trễ rẽ nhánh cho hình Ta dùng mơ hình để mơ kênh vơ tuyến pha đinh di động thay đổi theo thời gian Hình : Mơ hình kênh fading chọn lọc tần số với nhiều đường rẽ nhánh Cũng vậy, từ mô hình này, đáp ứng xung kim kênh (CIR) phụ thuộc thời gian tổng L đường truyền rời rạc sau: 𝑎𝑙 𝜏𝑙 hệ số trễ trễ truyền nhánh  cho bảng mơ hình COS207 (sự phụ thuộc a vào   gọi lý lịch trễ công suất PDP), (.) hàm delta (t) 𝑙 trình ngẫu nhiên Gausơ phức xác định sau: 9|Page -Trong số j biểu thị cho thành phần thực (j=1) ảo (j=2), số n biểu thị thành phần điều hòa n, số  biểu thị đường truyền sóng thứ 𝑙 , 𝑁𝑗,𝑙 biểu thị số lượng hàm điều hòa, 𝑐𝑗,𝑛,𝑙 hệ số Doppler thành phần điều hòa, 𝑓𝑗,𝑛,𝑙 tần số Doppler  𝑗,𝑛,𝑙 pha Doppler Nếu tín hiệu đầu vào kênh pha đinh di động x(t), tín hiệu đầu kênh xác định sau: Như tín hiệu đầu y(t) kênh biểu thị xếp chồng L phiên tín hiệu đầu vào 𝑥(𝑡 − 𝜏) , phiên trễ đánh trọng số hệ số trễ 𝑎 𝑙 trình Gausơ phức  𝑙 (𝑡) Ta biểu diễn phương trình (8) dạng rời rạc hóa theo thời gian sau: 10 | P a g e Bảng : Đặc tả mơ hình kênh L đường truyền theo COST207 (COS89) L=4 (RA) L=5 (TU, BU, HT) 11 | P a g e Mơ Chương trình mô kênh pha đinh di động chọn lọc tần số theo mơ hình đường trễ rẽ nhánh với tham số đặc tả (bảng 1) cho Sim_UWB 4.02b ➢ Tham số mô ➢ Tạo miền thời gian tín hiệu vào cho kênh mơ ➢ Kết mô 12 | P a g e Vùng ‘bu’ – Thành phố tồi → Nhận xét : Qua kết mô ta thấy đáp ứng kênh có biên độ (dB) khác miền thời gian tần số - Tại tần số biên độ đáp ứng kênh khác - Tại thời điểm ( thời gian ) biên độ đáp ứng kênh khác 13 | P a g e → Nhận xét : Kết kết mô biên độ đáp ứng kênh miền thời gian tần số địa hình ‘bu’ – thành phố tồi → Nhận xét : Kết kết mô biên độ đáp ứng kênh miền thời gian tần số địa hình ‘ra’ – nơng thơn 14 | P a g e → Nhận xét : Kết kết mô biên độ đáp ứng kênh miền thời gian tần số địa hình ‘tu’ – Thành phố điển hình 15 | P a g e → Nhận xét : Kết kết mô biên độ đáp ứng kênh miền thời gian tần số địa hình ‘ht’ – đồi núi → Qua ta nhận thấy vùng địa hình có đáp ứng kênh riêng biệt tương ứng Qua mô đáp ứng kênh vùng ta nhận thấy vùng nông thôn có đáp ứng kênh chọn lọc tần số vùng đồi núi nhiều 16 | P a g e ➢ Đoạn mã thực chương trình : • SIM_UWB_4.02b STT Câu lệnh Ý nghĩa Clc ; Xóa cửa sổ lệnh Clear ; Xóa mục khỏi khơng gian làm việc, giải phóng nhớ hệ thống Close all ; Xóa tất hình định T_s = 0.1E-5; (1) T_sim = 0.5E-1; (2) t = 0:T_s:T_sim; (3) m_s = 10; (4) B = 1E+6; (5) f_s = 2E+3; (6) f = f_s:f_s:B; (7) AREA = 'bu'; (8) f_max = 90; (9) t_0 = 0.01; N_1 = 10; -(1) Khai báo chu kì kí hiệu Chú thích -(2) Khai báo chu kì mô - (3) Khai báo thời gian t -(4) Khai báo hệ số mô m -(5) Khai báo băng thông - (6) Khai báo tần số fs -(7) Khai báo dải tần số cho mp -(8) Khai báo khu vực mô (‘bu’ – thành phố tồi) -(9) Khai báo f_max -(10) Khai báo t_0 -(11) Khai báo N_1 x_t = ones(1,length(t)); - Khởi tạo x_t = hàm toàn gồm hàng x length(t) cột [C1,F1,TH1,C2,F2,TH2,F01, F02,RHO,F_RHO,q_l,T,tau_ l] = uwb40203_F_S_K_pcal2(N _1,AREA,f_max,T_s); - Gọi hàm uwb40203_F_S_K_pcal2 gồm giá trị đầu vào (N_1,AREA,f_max,T_s ) giá trị đầu [C1,F1,TH1,C2,F2,TH2,F01,F 02,RHO,F_RHO,q_l,T,tau_l] mu_1=zeros(size(q_l)); Khởi tọa mu_1 mảng toàn gồm size(q_1) cột 17 | P a g e e_l = zeros(size(q_l)); Khởi tạo e_1 mảng toàn gồm size(q_1) cột h_t = zeros(1,length(t)); Khởi tạo h_t mảng toàn gồm hàng x length(t) cột 10 for n =0:length(t)-1, (*) if (n/m_s) == fix(n/m_s), mu_l = sum((C1.*cos(2*pi*F1*f_m ax*(n*T_s + t_0) + TH1)).').* exp(j*2*pi*F01*f_max*(n*T_s + t_0)) + j* (*) Bắt đầu vòng lặp for cho n chạy từ - > length(t) – Nếu (n/m_s) == fix(n/m_s), thực lệnh bên + Lệnh tính mu_1 (2) Kết thúc lệnh điều kiện if (3) Gán h_t(n+1) = sum(mu_1) (sum((C2.*cos(2*pi*F2*f_m (4) Kết thúc vòng lặp for ax*(n*T_s + t_0) + TH2)).').* exp(j*2*pi*F02*f_max*(n*T_s + t_0))) + RHO.*exp(j*2*pi*F_RHO*f _max*(n*T_s + t_0)); end (2) h_t(n+1) = sum(mu_l); (3) end (4) 11 H_t = abs(h_t); 12 Các câu lệnh để vẽ đồ thị Khai báo H_t = abs(h_t) • uwb40204_pCOST207 STT Câu lệnh Ý nghĩa function [C1,F1,TH1,C2,F2,TH2,F01,F 02,RHO,F_RHO,q_l,T,tau_l] = uwb40203_F_S_K_pcal2(N_1 Khởi tạo function uwb40203_F_S_K_pcal2 với tham số đầu vào N_1fsk,AREA1,f_max,T_s1 Chú thích 18 | P a g e fsk,AREA1,f_max,T_s1) tham số đầu C1,F1,TH1,C2,F2,TH2,F01,F 02,RHO,F_RHO,q_l,T,tau_l T_s = T_s1; Gán T_s = T_s1; if all(lower(AREA1)=='ra') a_l = [1,0.63,0.1,0.01]; tau_l= [0,0.2,0.4,0.6]*(T_s/0.2); %1E-6; DOPP_KAT = ['RI';'JA';'JA';'JA']; - Dựa theo bảng mà khai báo tham số tương ứng với khu vực Nếu lower(AREA1)=='ra' ( nơng thơn) khai báo tham số elseif Nếu lower(AREA1)=='tu' ( all(lower(AREA1)=='tu') thành phố điển hình) khai a_l = báo tham số [0.5,1,0.63,0.25,0.16,0.1]; tau_l= [0,0.2,0.6,1.6,2.4,5]*(T_s/0.2); %1E-6; DOPP_KAT = ['JA';'JA';'G1';'G1';'G2';'G2']; elseif all(lower(AREA1)=='bu') a_l = [0.5,1,0.5,0.32,0.63,0.4]; tau_l= [0,0.4,1.0,1.6,5.0,6.6]*(T_s/0 2);%1E-6; DOPP_KAT = ['JA';'JA';'G1';'G1';'G2';'G2']; Nếu lower(AREA1)=='bu' ( thành phố tồi) khai báo tham số elseif all(lower(AREA1)=='ht') Nếu lower(AREA1)=='ht' ( đồi núi) khai báo tham số a_l = [1,0.63,0.4,0.2,0.25,0.06]; tau_l= [0,0.2,0.4,0.6,15,17.2]*(T_s/0 2);%1E-6; DOPP_KAT = ['JA';'JA';'JA';'JA';'G2';'G2']; end 19 | P a g e num_of_taps = length(DOPP_KAT); F1=zeros(num_of_taps,N_1fs k + 2*num_of_taps - 1); Tạo tham số gán chúng cho ma trận F2=F1; C1=F1; C2=F1; TH1=F1; TH2=F1; F01=zeros(1,num_of_taps); F02=F01; RHO = zeros(1,num_of_taps); F_RHO = RHO; NN1 = (N_1fsk+2*(num_of_taps 1)):-2:N_1fsk; for k = 1:num_of_taps, [f1,f2,c1,c2,th1,th2,rho,f_rho,f 01,f02] = uwb40204_pCOST207(DOPP _KAT(k,:),NN1(k)); F1(k,1:NN1(k))=f1; C1(k,1:NN1(k)) = c1*sqrt(a_l(k)); TH1(k,1:NN1(k)) = th1; F2(k,1:NN1(k)+1) = f2; C2(k,1:NN1(k)+1) = c2*sqrt(a_l(k)); TH2(k,1:NN1(k)+1) = th2; F01(k) = f01; F02(k) = f02; RHO(k) = rho; F_RHO(k) = f_rho; 20 | P a g e end 21 | P a g e ... lục I SIM_ UWB_ 4. 02a Lí thuyết Mô II SIM_ UWB_ 4. 02b Lí thuyết Mô 12 2|Page I .SIM_ UWB_ 4. 02a Lí thuyết Mơi trường truyền sóng kênh vơ tuyến. .. 10^(K_dB/10); % đổi sang tuyến tính 7|Page H = sqrt(K/(K+1)) + - Gán H = H = sqrt(K/(K+1)) sqrt(1/(K+1)) *uwb4 020 1_Ray + _model(L); sqrt(1/(K+1)) *uwb4 020 1_Ray _model(L); 8|Page II .SIM_ UWB_ 4. 02b Lí thuyết... color'',''r''); (4) end (5) hist (4) Vẽ đồ thị kiểu plot x theo temp (5) Kết thúc vòng for (*) 12 Các câu lệnh để vẽ đồ thị • UWB_ 40 201_Ray_model STT Câu lệnh Ý nghĩa function H = uwb4 020 1_Ray_model(L)