Chuyên Đề Mô Hình Hóa Và Mô Phỏng Truyền Thông Vô Tuyến Bộ Môn Vô Tuyến 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 BỘ MÔN VÔ TUYẾN TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN Hà nội 10 2017 Nguyễn Viết Đảm Khoa Viễn thông 1 HỌC VIỆN CÔNG N[.]

Mơ hình hóa mơ Hệ thống truyền thơng vơ tuyến KHOA VIỄN THƠNG BỘ MƠN VƠ TUYẾN TRUYỀN THƠNG VƠ TUYẾN MỘT SỐ CHUN ĐỀ MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG TRUYỀN THƠNG VƠ TUYẾN 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 nghi 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 Mơ hệ thống truyền dẫn OFDM môi trường kênh AWGN kênh pha đinh đa đường Hệ thống truyền thông vô tuyến  Kết mô môi trường kênh MFC sử dụng cân kênh ZF SNR (dB) noisePower Số lỗi SER Xác định tín hiệu mơ hình, chương trình mơ ghi kết quả/kênh AWGN Phía phát kênh AWGN Đầu vào/ra IFFT Vào/ra chèn CP Vào/ra kênh AWGN Phía thu Vào/ta khối khử CP Vào/ra khối FFT Vào/ra khối định Vào/ra so sánh xác định lỗi SER Xác định tín hiệu mơ hình, chương trình mơ ghi kết quả/kênh MFC/kênh kênh ZF Kênh pha đinh đa đường MFC Đầu vào/ra môi trường Đầu vào/ra môi trường xe cộ Cân kênh ZF Vào/ra khối cân kênh ZF môi trường Nguyễn Viết Đảm Vào/ra khối cân kênh ZF mơi trường xe cộ SER 282 Mơ hình hóa mô Mô hệ thống truyền dẫn OFDM môi trường kênh AWGN kênh pha đinh đa đường (1/4) Hệ thống truyền thơng vơ tuyến SER cđa hệ thống OFDM mô hình kênh khác ph-ơng pháp cân kênh ZF 10 OFDM - kênh AW GN OFDM - kênh pha đinh môi tr-ờng OFDM - kênh pha đinh môi tr-ờng xe cé -1 10 -2 SER 10 -3 10 -4 10 -5 10    10 12 14 16 18 SNR (dB) Vẽ lưu đồ mơ Phân tích q trình thực mơ hình mơ chương trình mơ Viết báo cáo tổng hợp phân tích kết mơ Nguyễn Viết Đảm 283 Mơ hình hóa mơ Mô hệ thống truyền dẫn OFDM môi trường kênh AWGN kênh pha đinh đa đường (2/4) Hệ thống truyền thơng vơ tuyến SER cđa hƯ thèng OFDM mô hình kênh khác ph-ơng pháp cân kênh MMSE 10 OFDM - kênh AW GN OFDM - kênh pha đinh môi tr-ờng OFDM - kênh pha đinh môi tr-ờng xe cộ -1 10 -2 SER 10 -3 10 -4 10 -5 10    10 12 SNR (dB) Vẽ lưu đồ mơ Phân tích q trình thực mơ hình mơ chương trình mơ Viết báo cáo tổng hợp phân tích kết mô Nguyễn Viết Đảm 14 16 18 284 Mơ hình hóa mơ Mơ hệ thống truyền dẫn OFDM môi trường kênh AWGN kênh pha đinh đa đường (3/4) Hệ thống truyền thơng vơ tuyến SER cđa hƯ thèng OFDM mô hình kênh khác ph-ơng pháp cân b»ng kªnh MMSE & ZF 10 -1 10 -2 SER 10 -3 10 OFDM - kªnh AW GN OFDM - Kªnh MFC/pedA OFDM - Kªnh MFC/vehA OFDM - Kªnh MFC/pedA OFDM - Kªnh MFC/vehA -4 10 & Bé läc MMSE & Bé läc MMSE & Bé läc ZF & Bé läc ZF -5 10 10 12 14 16 18 SNR (dB)   Phân tích q trình thực mơ hình mơ chương trình mơ Viết báo cáo tổng hợp phân tích kết mơ Nguyễn Viết Đảm 285 Mơ hình hóa mơ Mơ hệ thống truyền dẫn OFDM môi trường kênh AWGN kênh pha đinh đa đường (4/4) Hệ thống truyền thông vô tuyến Nguyễn Viết Đảm 286 Mơ hình hóa mơ Hệ thống truyền thơng vơ tuyến Sim_MA9 Mơ hình hóa mơ hiệu SER cho hệ thống truyền dẫn SC-FDMA môi trường kênh AWGN kênh pha pha đinh đa đường Nguyễn Viết Đảm 287 Mô hình hóa mơ Hệ thống truyền thơng vơ tuyến Mơ hình hóa mơ hiệu SER cho hệ thống truyền dẫn SC-FDMA môi trường kênh AWGN kênh pha pha đinh đa đường  Mục tiêu  Mơ hình hóa trực quan hóa ngun lý hoạt động hệ thống truyền dẫn SC-FDMA môi trường kênh AWGN kênh pha đinh đa đường  Matlab hóa mơ hệ thống truyền dẫn SC-FDMA môi trường kênh AWGN kênh pha đinh đa đường để: Làm sáng tỏ nguyên lý hoạt động phân tích đánh giá hiệu  Nội dung  Mơ hình kênh AWGN kênh pha đinh đa đường: Mơ hình kênh đa đường/tham số (lý lịch trễ công suất)  Kênh pha đinh đa đường cân kênh MMSE/ZF  Mơ hình hóa ngun lý hoạt động hệ thống truyền dẫn SC-FDMA môi trường kênh AWGN kênh pha đinh đa đường  Tiến trình mơ phỏng: Lưu đồ mơ thực mô hệ thống truyền dẫn SC-FDMA môi trường kênh AWGN kênh pha đinh đa đường  Matlab hóa mơ hiệu SER hệ thống SC-FDMA môi trường kênh AWGN kênh pha đinh đa đường  Thiết lập kịch mô phỏng: Định nghĩa tham số thiết trị tập tham số đầu vào cho chương trình mơ  Matlab hóa mơ hình mơ hệ thống SC-FDMA mơi trường kênh AWGN kênh pha đinh đa đường  Thiết lập bước mô thực mô theo kịch mô  Thực mô Matlab để: làm sáng tỏ nguyên lý hoạt động khảo sát so sánh đánh giá hiệu hệ thống truyền dẫn SC-FDMA môi trường kênh AWGN kênh pha pha đinh đa đường, hiệu cân kênh MMSE/ZF Nguyễn Viết Đảm 288 Mơ hình hóa mơ Mơ hình hệ thống truyền dẫn SC-FDMA môi trường kênh AWGN kênh pha pha đinh đa đường Hệ thống truyền thông vô tuyến Số - tương tự / Tần số vô tuyến Chèn tiền tố tuần hoàn / Định dạng xung Chuyển đổi song song - nối tiếp IDFT N-điểm DFT Mđiểm Sắp xếp sóng mang Chuyển đổi nối tiếp – song song Mô hình hóa hệ thống SC-FDMA kênh AWGN pha đinh đa đường SC-FDMA: Tần số vô tuyến / Số - tương tự Khử tiền tố tuần hoàn Chuyển đổi nối tiếp - song song DFT N-điểm IDFT Mđiểm Kênh Giải xếp sóng mang / Cân Tách sóng Chuyển đổi song song - nối tiếp * M