Chuyên Đề Mô Hình Hóa Và Mô Phỏng Bộ Môn Vô Tuyến Tiến Hóa Truyền Thông Vô Tuyến.pdf

Slide 1 1Nguyễn Viết Đảm Mô hình hóa và mô phỏng Hệ thống truyền thông vô tuyến KHOA VIỄN THÔNG 1 TIẾN HÓA TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG Hà nội 10 2017 BỘ MÔN VÔ TUYẾN TIẾN HÓA TRUYỀN[.]

Mơ hình hóa mơ Hệ thống truyền thơng vơ tuyến KHOA VIỄN THƠNG BỘ MƠN VƠ TUYẾN TIẾN HĨA TRUYỀN THƠNG VƠ TUYẾN TIẾN HĨA TRUYỀN THƠNG VƠ TUYẾN MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG Nguyễn Viết Đảm Khoa Viễn thơng HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Địa chỉ: PTIT- Km10- Đường Nguyễn Trãi, Quận Hà đông, Thành phố Hà nội Điện thoại: 0912699394 Email: damnvptit@gmail.com Hà nội 10-2017 Nguyễn Viết Đảm Mô hình hóa mơ TIẾN HĨA TRUYỀN THƠNG VƠ TUYẾN Hệ thống truyền thông vô tuyến Đối tượng NC: Đặc điểm Môi trường vô tuyến Yêu cầu nhu cầu Tài nguyên bị hạn chế khan Nhu cầu chiến dụng ngày gia tăng Chất lượng an ninh Yêu cầu chất lượng ngày cao Khám phá, Khai thác hiệu & triệt để tài nguyên phải đảm bảo chất lượng Giải pháp điển hình Ý tưởng NC Mạng truyền thơng vô tuyến Khai thác tài nguyên vô tuyến chưa triệt để Khai thác tiềm thành phần node mạng chưa triệt để Khai thác CSI chưa triệt để Việc phối kết hợp chưa cao • Mã hóa kênh sửa lỗi tiên tiến, phân tập, điều chế bậc cao, MIMO-OFDM,… • Quy hoạch tối ưu mạng, mạng tự tối ưu, SON,… • Phân bổ tài nguyên tối ưu lập lịch động, chế thích ứng: AMC, AOFDM,… Khai thác hiệu triệt để tài nguyên vô tuyến Khai thác triệt để lực tiềm thành phần nút mạng Đối phó, khắc phục nhược điểm Khai thác triệt để CSI Mục tiêu: Tối đa hóa hiệu (dung lượng chất lượng) hiệu chiếm dụng lượng Nguyễn Viết Đảm  Vô tuyến khả tri: Phát khai thác phổ tần rỗi (cảm nhận môi trường phân bổ tài nguyên)  Vô tuyến hợp tác: Hợp tác, phối kết hợp nút mạng phần tử để tăng độ xác cảm nhận, mã hóa mạng động,…  Vơ tuyến UWB, Massive MIMO, RoF… Mơ hình hóa mơ thống truyền thơng vơ tuyến vơ tuyến UWB Tiến hóa truyền Hệthông vô tuyến Đối tượng NC: Đặc điểm Môi trường vô tuyến Yêu cầu nhu cầu Tài nguyên bị hạn chế khan Nhu cầu chiến dụng ngày gia tăng Chất lượng an ninh Yêu cầu chất lượng ngày cao Mạng truyền thơng vơ tuyến • Khai thác tài nguyên VT chưa triệt để • Khai thác tiềm thành phần node mạng chưa triệt để • Khai thác CSI chưa triệt để • Việc phối kết hợp chưa cao Khám phá, Khai thác hiệu & triệt để tài nguyên phải đảm bảo chất lượng Giải pháp điển hình Vơ tuyến UWB • Mã hóa kênh sửa lỗi tiên tiến, phân tập, điều chế bậc cao, MIMO-OFDM… • Quy hoạch tối ưu mạng, mạng tự tối ưu SON… • Phân bổ tài nguyên tối ưu lập lịch động, chế thích ứng: AMC, AOFDM… Khai thác hiệu triệt để tài nguyên vô tuyến dạng đồng hoạt động chồng phổ tần Khả đề kháng với kênh pha đinh Dung lượng lớn Định vị xác Vơ tuyến hóa thiết bị cá nhân Vi mạng hóa, truyền thơng xanh Nguyễn Viết Đảm Mục tiêu: Tối đa hóa hiệu (dung lượng chất lượng) hiệu sử dụng lượng Mơ hình hóa mơ Hệ thống truyền vơ tuyến Mơ hình hóa mơ Tốc độ tiến hóa truyền thơng vơ thơng tuyến: Mơi trường VT Ý tưởng NC Tối đa hóa hiệu Cơ sở công cụ nghiên cứu Mục tiêu (cảm nhận) Yêu cầu cao (các ràng buộc) - Các tham số đặc trưng MT động (CSI động) - Tài nguyên hạn chế khả dụng động như: hố phổ, chồng phổ (cơ hội chiếm dụng chia sẻ tài nguyên)… - Tài nguyên bị hạn chế (mã, công suất, băng thông…) - Nhu cầu chiếm dụng tài nguyên động… - Tính cơng mềm dẻo, mức độ ưu tiên  Tính chất động, tính ngẫu nhiên mơi trường vơ tuyến điều kiện ràng buộc  Khó khăn thách thức…  Xử lý tín hiệu tiên tiến, thư viện chương trình xử lý tín hiệu ngơn ngữ lập trình  Kiểm chứng, phê chuẩn kết nghiên cứu Mơ hình hóa mơ hiệu xác Góp phần gia tăng tốc độ tiến hóa ? Tối đa hóa hiệu (dung lượng chất lượng) hiệu sử dụng lượng Nguyễn Viết Đảm Mơ hình hóa mơ MINH HỌA TIẾN Hệ HĨA TRUYỀN thống truyền thơng vơ tuyến THÔNG VÔ TUYẾN Cellular Architecture and Key Technologies for 5G Wireless Communication Networks  A Potential 5G Wireless Cellular Architecture  Promising Key 5G Wireless Technologies       Massive MIMO Spatial Modulation Cognitive Radio Networks Mobile Femtocell Green Communications Visible Light Communication  Future Challenges in 5G Wireless Communication Networks     Optimizing Performance Metrics Reducing Signal Processing Complexity for Massive MIMO Realistic Channel Models for 5G Wireless Systems Interference Management for CR Networks Mục tiêu: Mơ hình giải pháp tối ưu hóa hiệu cho hệ thống truyền thơng vơ tuyến dạng: (i) khai thác triệt để lực & tiềm phần tử hệ thống; (ii) khai thác triệt để tài nguyên vô tuyến khan hiếm; (iii) đối phó, khắc phục nhược điểm mơi trường truyền thông vô tuyến Nguyễn Viết Đảm Mô hình hóa mơ MINH HỌA TIẾN Hệ HĨA TRUYỀN thống truyền thơng vơ tuyến THƠNG VƠ TUYẾN Cellular Architecture and Key Technologies for 5G Wireless The 5G cellular Communication Networks One of the key ideas of designing the 5G cellular architecture is to separate outdoor and indoor scenarios so that penetration loss through building walls can be somehow avoided This will be assisted by distributed antenna system (DAS) and massive MIMO technology Csum   HetNets  Pi  Bi log 1     Channels  Np  architecture should also be a heterogeneous one, with macrocells, microcells, small cells, and relays To accommodate high mobility users such as users in vehicles and high-speed trains, we have proposed the mobile femtocell concept, which combines the concepts of mobile relay and femtocell The 5G-CR network is an innovative software defined radio (SDR) technique which has been considered as one of the promising technologies to improve the utilization of the congested RF spectrum Adopting CR is motivated by the fact that a large portion of the radio spectrum is underutilized most of the time Nguyễn Viết Đảm Mơ hình hóa mơ MINH HỌA TIẾN Hệ HĨA TRUYỀN thống truyền thơng vơ tuyến THƠNG VƠ TUYẾN Vô tuyến khả tri - Vô tuyến nhận thức - Vô tuyến tri thức Theo Ed Thomas “ Nếu xét tồn dải tần số vơ tuyến từ đến 100 GHz quan trắc thời điểm địa điểm cụ thể, có 5% đến 10% lượng phổ tần chiếm dụng” => lãng phí 90% tài ngun phổ tần vơ tuyến Cơng nghệ CR xem giải pháp tối ưu cho vấn đề “Vô tuyến khả tri CR vô tuyến thay đổi thơng số truyền sở tương tác với môi trường làm việc” Môi trường Vô tuyến Các tác nhân Vô tuyến RF Các tác nhân Vơ tuyến RF Tín hiệu truyền Thơng tin hố phổ QUYẾT ĐỊNH PHỔ CR thích ứng với môi trường phổ CẢM NHẬN PHỔ Dung lượng kênh SDR thích nghi với mơi trường mạng Thơng tin hố phổ PHÂN TÍCH PHỔ Chu trình nhận thức CR Vơ tuyến khả tri thích nghi với phổ mơi trường; SDR lại thích nghi với mơi trường mạng Nguyễn Viết Đảm Mơ hình hóa mơ MINH HỌA TIẾN Hệ HĨA TRUYỀN thống truyền thơng vơ tuyến THƠNG VƠ TUYẾN Khái qt vơ tuyến khả tri Vô tuyến thông thường RF Điều chế Mã hóa Tạo khung Mềm hóa phần cứng Phần cứng Vô tuyến định nghĩa phần mềm SDR Vô tuyến Khả tri CR RF Phần mềm Điều chế Mã hóa Tạo khung Phần cứng RF Xử lý Xử lý Phần mềm Điều chế Mã hóa Tạo khung Xử lý Xử lý thông minh (cảm nhận, nhận thức, tối ưu) Phần cứng Phần mềm Vô tuyến thông thường - Vô tuyến định nghĩa phần mềm SDR - Vô tuyến khả tri CR Nguyễn Viết Đảm Mơ hình hóa mơ MINH HỌA TIẾN Hệ HĨA TRUYỀN thống truyền thơng vơ tuyến THƠNG VƠ TUYẾN Khái qt vơ tuyến khả tri tầng mơ hình OSI Mức độ phức tạp ISP Công nghệ qua tầng mơ hình OSI Đối với CR tối ưu, tính thơng minh khả tái cấu hình tất lớp yêu cầu lý tưởng “CR sử dụng xử lý tín hiệu thơng minh (ISP) lớp Vật lý hệ thống vô tuyến đạt cách kết hợp ISP với SDR” Nguyễn Viết Đảm Mơ hình hóa mơ MINH HỌA TIẾN Hệ HĨA TRUYỀN thống truyền thơng vơ tuyến THƠNG VƠ TUYẾN Khái qt vơ tuyến khả tri Anten băng rộng Băng tần = ∆fi Bộ ghép song công Lựa chọn tần số động (DFS) Nhiều anten SDR-1 (∆f1) SDR-1 (∆f2) Tự cấu hình Truyền thơng/ Đầu Phối hợp lựa chọn SDR-1 (∆fN) Phát lịch sử chiếm dụng tài nguyên vô tuyến (IPD) Cổng định thời Điều khiển công suất phát (TPC) Bộ tổng hợp thích ứng Đầu vào Mơ hình vơ tuyến khả tri dựa SDR (FPGA => cho phép thông minh hóa thiết bị người dùng) Nguyễn Viết Đảm 10 Mơ hình hóa mơ Hệ thống truyền thơng tuyến Mơ hình hóa, mơ hiệu hệvơ thống truyền thụng vụ tuyn Pr lỗi d k   fV  v d k   dv Kỹ thuật bán phân tích T fV  v d k  1 fV  v d k   PE  Pr d k  0 Pr 1 d k  0  Pr d k  xác suất phát bit xác suất định bit với điều kiện bit đà phát ®i v Pr 0 d k  1 T x¸c suất phát bit xác suất định bit với điều kiện bit đà phát Prd k  0  Pr d k  1  a) Hàm mật độ xác suất pdf V cú õm 1 Pr lỗi d k Pr lỗi d k 2 Pr lỗi d k 0   fV  v d k  dv T T =Pr lỗi d k  T  f v d V k  1 dv v1  v   Q   v  v2 v v2 - T b) Hàm mật độ xác suất pdf V khơng có tạp âm Nguyễn Viết Đảm 110 Mơ hình hóa mơ Hệ thống truyền thơng tuyến Mơ hình hóa, mơ hiệu hệvô thống truyền thông vô tuyến fV  v d  10  fV  v d  01 Kỹ thuật bán phân tích fV  v d  00  fV  v d  11 v v4  vi  PE   Q   i 1   v  v3 T v2 v1 a) Hàm mật độ xác suất pdf V có tạp âm fV  v d  01 fV  v d  10  fV  v d  11 fV  v d  00  v v4 v3 v2 v1 T b) Hàm mật độ xác suất pdf V tạp âm Các hàm mật độ xác suất pdf có điều kiện độ dài nhớ lọc phát hai ký hiệu Nguyễn Viết Đảm 111 Mô hình hóa mơ Hệ thống truyền thơng tuyến Mơ hình hóa, mơ hiệu hệvơ thống truyền thơng vơ tuyến NVD10_SA_BPSK.m Matlab hóa Kỹ thuật bán phân tích Nguồn liệu (DMS) dk Bộ khuếch đại cơng suất phi tuyến Bộ điều chế Vk  f  Sk , Dk , Nk  dˆk Vk  Vk ,nf  N k v(t) v(T)=Vk So sánh với ngưỡng Nguồn tạp âm tương đương mô SA f N  nx  x nx dx D S2 S1 D2 Bộ lọc Bộ tích phân ne(t) N  Sk  PE   Q   N k 1   n  Ước tính BER bán phân tích cho BPSK S1 D1 Nguyễn Viết Đảm 112 Mơ hình hóa mơ Hệ thống truyền thơng tuyến Mơ hình hóa, mơ hiệu hệvơ thống truyền thơng vơ tuyến NVD10_SA_BPSK.m Matlab hóa Kỹ thuật bán phân tích M« pháng BER -SA BPSK theo Eb/N0 khi: NSym =256 ký hiÖu -1 10 BERBPSK-AWGN ly thuyet Uoc tinh BERBPSK theo SA -2 BER 10 -3 10 -4 10 Eb/N0 [dB] Nguyễn Viết Đảm 113 Mơ hình hóa mơ Hệ thống truyền thơng tuyến Mơ hình hóa, mô hiệu hệvô thống truyền thông vô tuyến NVD10_SA_BPSK.m Matlab hóa Kỹ thuật bán phân tích M« pháng BER -SA BPSK theo Eb/N0 khi: NSym =256 ký hiÖu 10 BERBPSK-AWGN ly thuyet Uoc tinh BERBPSK theo SA -1 BER 10 -2 10 -3 10 -4 10 Eb/N0 [dB] Nguyễn Viết Đảm 114 Mơ hình hóa mơ Hệ thống truyền thơng tuyến Mơ hình hóa, mơ hiệu hệvô thống truyền thông vô tuyến Kỹ thuật bán phân tích Q (A,A) (-A,A) S2 S1 Sx D2 Tín hiệu + ISI (ký hiệu phát thứ i) A  d yi S1 D1 Sy I D4 D3 (-A,-A) A  d xi (A,-A) S3 S4 Ước tính BER bỏn phõn tớch cho tớn hiu QPSK Pr lỗi S1     Sx  nx , S y  ny D1 2 n n e    nx  S x  2 n2     ny  S y   2 n2      dnx dny     Q  Im  S  N Re Sk Pr lỗi S1    Q N k 1    n   Nguyễn Viết Đảm k     n   115 Mơ hình hóa mơ Hệ thống truyền thơng tuyến Mơ hình hóa, mơ hiệu hệvô thống truyền thông vô tuyến Matlab húa NVD10_SA_QPSK.m Mô chòm tín hiệu QPSK: NSym =10000 k ý hiƯu M« pháng BER -SA QPSK theo E b/N0 k hi: NSym =10000 k ý hiÖu -1 1.5 10 BERQPSK-AWGN ly thuyet Uoc tinh BERQPSK theo SA -2 10 -3 10 BER Mẫu thành phần Q 0.5 -4 10 -0.5 -5 10 -1 -1.5 -1.5 -6 -1 -0.5 0.5 1.5 10 MÉu thµnh phÇn I Nguyễn Viết Đảm Eb/N0 [dB] 10 116 Mơ hình hóa mơ Hệ thống truyền thơng tuyến Mơ hình hóa, mơ hiệu hệvơ thống truyền thơng vơ tuyến Matlab hóa NVD10_SA_QPSK.m Mô chòm tín hiệu QPSK: NSy m =1000 ký hiƯu M« pháng BER -SA QPSK theo Eb /N0 khi: NSy m =1000 ký hiÖu 10 1.5 -1 10 0.5 10 BER Mẫu thành phần Q -2 -3 10 -4 -0.5 10 -1 10 -5 BERQPSK-AWGN ly thuyet Uoc tinh BERQPSK theo SA -1.5 -1.5 -6 -1 -0.5 0.5 1.5 10 MÉu thµnh phÇn I Nguyễn Viết Đảm Eb/N0 [dB] 10 117 Mơ hình hóa mơ Hệ thống truyền thông vô tuyến PHỎNG HIỆU NĂNG BER HỆ THỐNG QPSK HOẠT ĐỘNG TRONG MÔI TRƯỜNG KÊNH ĐA ĐƯỜNG TIA VÀ KÊNH AWGN THEO PHƯƠNG PHÁP BÁN GIẢI TÍCH SA Kênh có đường (tia) gồm có: đường thẳng LOS khơng bị pha đinh thành phần Rayleigh Các mức công suất thu liên quan tới đường trễ chênh lệch ba đường tham số mô Pha đinh Rayleigh kênh ảnh hưởng lên biên độ tín hiệu phát Pha tức thời khơng bị ảnh hưởng Suy hao thành phần đa đường không đổi khoảng thời gian ký hiệu có giá trị độc lập khoảng liền kề (không yêu cầu phải định dạng phổ Doppler) Không sử dụng lọc phát mô hình máy thu máy thu kết xuất tích hợp lý tưởng Matlab hóa mơ hình kịch mơ NVD14threeray.m Nguyễn Viết Đảm 118 Mơ hình hóa mơ Hệ thống truyền thơng vơ tuyến M« hiệu BER cho kịch kênh số: 1; NSym =10000 ký hiÖu 10 AWGN Da duong -1 10 -2 10 -3 10 X ác suất lỗi Pe -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 10 E /N (dB) b Nguyễn Viết Đảm 10 12 14 119 Mơ hình hóa mơ Hệ thống truyền thụng vụ tuyn Mô hiệu BER cho kịch kênh số: 2; NSym =10000 ký hiệu 10 AWGN Da duong -1 10 -2 10 -3 10 X ác suất lỗi Pe -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 10 E /N (dB) b Nguyễn Viết Đảm 10 12 14 120 Mơ hình hóa mơ Hệ thống truyền thơng vơ tuyến M« pháng hiƯu BER cho kịch kênh số: 3; NSym =10000 ký hiÖu 10 AWGN Da duong -1 10 -2 10 -3 10 X ác suất lỗi Pe -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 10 10 12 14 E /N (dB) b Nguyễn Viết Đảm 121 Mô hình hóa mơ Hệ thống truyền thơng vơ tuyn Mô hiệu BER cho kịch kênh sè: 4; NSym =10000 ký hiÖu 10 AWGN Da duong -1 10 -2 10 -3 10 X ¸c suÊt lỗi Pe -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 10 E /N (dB) b Nguyễn Viết Đảm 10 12 14 122 Mơ hình hóa mơ Hệ thng truyn thụng vụ tuyn Mô hiệu BER cho kịch kênh số: 5; NSym =10000 ký hiệu 10 AWGN Da duong -1 10 -2 10 -3 10 X ác suất lỗi Pe -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 10 E /N (dB) b Nguyễn Viết Đảm 10 12 14 123 Mơ hình hóa mơ Hệ thống truyền thơng vơ tuyến M« hiệu BER cho kịch kênh số: 6; NSym =10000 ký hiÖu 10 AWGN Da duong -1 10 -2 10 -3 10 X ác suất lỗi Pe -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 10 E /N (dB) b Nguyễn Viết Đảm 10 12 14 124 ... mạng động,…  Vơ tuyến UWB, Massive MIMO, RoF… Mơ hình hóa mơ thống truyền thông vô tuyến vô tuyến UWB Tiến hóa truyền Hệthơng vơ tuyến Đối tượng NC: Đặc điểm Môi trường vô tuyến Yêu cầu nhu... Sim_Method 3: Mơ hình hóa, mơ đánh giá hiệu hệ thống truyền thông vô tuyến Nguyễn Viết Đảm 15 Mơ hình hóa mơ Hệ thống truyền thông vô tuyến Sim_Method Phương pháp mơ hình hóa mơ truyền thơng vơ tuyến Nguyễn... thống truyền thơng vơ tuyến KHOA VIỄN THƠNG BỘ MƠN VƠ TUYẾN TIẾN HĨA TRUYỀN THƠNG VƠ TUYẾN PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN Hà Nguyễn nội Viết 10-2017 Đảm 12 Mơ hình