Chương 14 Mô hình hóa và mô phỏng kênh dạng sóng 339 Chương 14 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG KÊNH DẠNG SÓNG 14 1 Mở đầu Từ quan điểm thiết kế và phân tích hiệu năng hệ thống, nếu dung hòa giữa tính phức tạp[.]
Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 339 Chương 14 MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG KÊNH DẠNG SÓNG 14.1 Mở đầu Từ quan điểm thiết kế phân tích hiệu hệ thống, dung hịa tính phức tạp hệ thống truyền thơng với khả xử lý, giá thành máy tính, tốn thiết kế dựa vào mơ công cụ khả thực xuyên suốt công nghiệp truyền thông ngày phổ biến Thông qua việc dùng mô phỏng, cho phép nghiên cứu đặc trưng hoạt động hệ thống phức tạp hơn, thực tế so với hệ thống không dựa mô lẽ hệ thống không dựa vào mơ tính phức tạp bị hạn chế để đảm bảo việc phân tích kiểm sốt Mơ cho phép thay đổi cách dễ dàng thơng số hệ thống nhanh chóng đánh giá ảnh hưởng việc thay đổi dạng hiển thị trực quan tương tác kết mơ Ngồi ra, hiểu kỹ thuật mơ hỗ trợ cho chương trình nghiên cứu bạn đọc làm việc lĩnh vực truyền thông Trong chương này, ta tập trung vào việc mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng nhằm lột tả hoạt động ảnh hưởng dạng tham số đặc trưng Các tham số làm đầu vào cho giải thuật thích ứng, làm sở để thiết kế hệ thống thông minh cho nghiên cứu ta sau Điều gây khó khăn việc thiết kế kênh truyền thơng kênh vô tuyến di động, gây nhiều mức độ nhiễu, méo tạp âm Kênh vô tuyến di động kênh thay đổi theo thời gian chịu ảnh hưởng pha đinh Ngoài ra, số kênh thay đổi đến mức khó đặc trưng hóa chúng Hơn nữa, hệ thống thông tin vô tuyến hệ sau phải thiết kế để hoạt động các kênh vơ tuyến tồn cầu với tính đa dạng môi trường từ khu vực thành phố đến địa hình đồi núi, điều kiện thời tiết khác Giải pháp xây dựng nguyên mẫu cho hệ thống đề xuất trường kiểm tra nguyên mẫu nhiều vùng toàn cầu, tốn không khả thi giai đoạn đầu trình thiết kế hệ thống Giải pháp có tính khả thi cao tạo mơ hình thích hợp cho kênh dựa vào thiết kế khởi đầu mơ hình Nếu có thể, cho trước mơ hình kênh truyền thơng mơ hình thống kê tất định, giai đoạn đầu trình thiết kế hệ thống sử dụng giải pháp phân tích để ước lượng hiệu Ví dụ, coi "pha đinh" kênh có hàm mật độ xác suất biên độ phân bố Rayleigh tạp âm Gausơ cộng, xác suất lỗi hệ thống truyền thơng nhị phân làm việc kênh biểu diễn là: Pe 2 b (14.1) Trong b giá trị "trung bình" SNR đầu vào máy thu Biểu thức dùng để xác định nhiều tham số công suất máy phát để đảm bảo xác suất lỗi cho trước Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 340 Tuy nhiên, xây dựng hệ thống thực tế, hạn chế tính khả thi phải xét đến lọc không lý tưởng, khuếch đại phi tuyến Các ảnh hưởng khó để đặc trưng hóa chúng theo cách phân tích hầu hết phải dùng đến mô kết hợp mô với phân tích giải tích Vì vậy, lập mơ hình mơ đóng vai trị trung tâm thiết kế hệ thống truyền thông Hai chủ đề bao trùm chương là: phương pháp luận giải pháp mô cho kênh truyền thông vô tuyến Tài liệu đo đạc di động kênh vô tuyến khác phong phú thay đổi Với mục đích mơ phỏng, ta thường dựa vào mơ hình thống kê rút từ đo đạc Một số ví dụ mơ hình dùng để thiết kế ước lượng hiệu hệ thống truyền thông di động hệ thứ trình bày chương 14.1.1 Các mơ hình kênh truyền thông Trong “kênh” truyền thông biểu diễn môi trường vật lý máy phát mày thu, "mơ hình kênh" trình bày quan hệ vào/ra kênh dạng tốn học thuật tốn Mơ hình rút từ đo đạc dựa lý thuyết truyền lan vật lý Các mơ hình dựa đo đạc dẫn đến việc đặc trưng hóa theo kinh nghiệm cho kênh miền tần số thời gian, bao hàm mô tả thống kê dạng biến ngẫu nhiên trình ngẫu nhiên Các tham số phân bố mật độ phổ công suất thường ước tính từ số liệu đo Trong mơ hình dựa đo đạc có tin tưởng cao tính hợp lệ thường mơ hình hữu dụng để thiết kế thành cơng, thường tỏ khó dùng khó tổng quát hóa phép đo mở rộng tập hợp môi trường phù hợp Ví dụ, khó sử dụng kết đo từ vùng thành phố để đặc tính hóa mơ hình cho vùng thành phố khác trừ lượng lớn liệu tập hợp rộng khơng gian đa dạng địa hình, cần có lý thuyết đủ mạnh để giải thích ngoại suy mơ hình cho vị trí Việc triển khai mơ hình tốn cho truyền lan tín hiệu cần có hiểu biết sâu tượng vật lý Ví dụ: để mơ hình hóa cho kênh vơ tuyến tầng điện ly, phải hiểu rõ truyền lan sóng vơ tuyến Tương tự, phải có hiểu biết kiến thức quang học triển khai mơ hình cho sợi quang đơn mode đa mode Một thách thức lập mơ hình kênh chuyển mơ hình truyền lan vật lý chi tiết thành dạng phù hợp để mơ Từ viễn cảnh vật lý, mơ hình tốn q chi tiết khơng dạng phù hợp để mơ Ví dụ, mơ hình tốn cho kênh vơ tuyến có dạng phương trình Maxwell Mơ hình phải đơn giản chuyển sang dạng thuận tiện như: hàm truyền đạt đáp ứng xung kim trước mô May thay, có phần dễ dàng so với việc rút mơ hình vật lý định rõ tham số mơ hình Một rút mơ hình vật lý định rõ giá trị tham số, việc chuyển mô hình vật lý sang mơ hình mơ (thuật tốn) thường dễ ràng 14.1.2 Mô kênh truyền thông Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 341 Các kênh truyền thơng vật lý như: cáp đồng, ống dẫn sóng, khơng gian tự sợi quang thường thể tính tuyến tính Một số kênh kênh vơ tuyến di động, tỏ vừa có tính tuyến tính vừa có tính thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian LTV Mơ hình mơ cho kênh thuộc hai loại sau: Mô hình hàm truyền đạt cho kênh bất biến theo thời gian Ví dụ: cáp đồng, cáp quang khơng gian tự Khi này, ta coi kênh có chất tĩnh (nghĩa là, kênh có đáp ứng xung kim bất biến theo thời gian) tạo đáp ứng tần số cụ thể lẽ trễ không đổi kênh Hàm truyền đạt kênh bất biết theo thời gian “phẳng” đặt vào kênh tín hiệu có độ rộng băng thơng, đáp ứng kênh lên tín hiệu khơng đổi Kênh gọi “chọn lọc tần số” tín hiệu vào có độ rộng băng thơng mà tác động kênh với mức độ khác tần số khác độ rộng băng tín hiệu hay nói cách khác đáp ứng tần số kênh vùng tần số tín hiệu thay đổi Mơ hình đường trễ rẽ nhánh TDL cho kênh thay đổi theo thời gian Một ví dụ quan trọng kênh vơ tuyến di động Với mơ hình kênh này, kênh thường coi thay đổi theo thời gian Nếu kênh thay đổi khoảng thời gian nhỏ tín hiệu đặt vào, kênh gọi "pha đinh nhanh" Nếu kênh không đổi nhiều ký hiệu liên tiếp nguồn tín hiệu đặt vào, kênh gọi kênh "pha đinh chậm" coi loại (1) Các mô hình hàm truyền đạt mơ miền thời gian miền tần số sử dụng lọc đáp ứng xung kim hữu hạn (FIR) đáp ứng xung kim vơ hạn (IIR) Các mơ hình kinh nghiệm dạng: đáp ứng đo đáp xung kim tổng hợp đáp ứng tần số thường mô cách dùng kỹ thuật FIR Biểu thức giải tích cho hàm truyền đạt dễ dàng để mô sử dụng kỹ thuật IIR Các bô lọc IIR FIR thảo luận chi tiết chương Các mơ hình mơ cho kênh (pha đinh) thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian dạng mơ hình đường trễ rẽ nhánh TDL có độ lợi nhánh trễ trình ngẫu nhiên Nếu biết trước mơ hình q trình ngẫu nhiên cho thay đổi theo thời gian (pha đinh), rút thuộc tính q trình độ lợi nhánh mô kỹ thuật đề cập chương 13 Nếu kênh giả định kênh thay đổi chậm theo thời gian cho điều kiện kênh khơng thay đổi nhiều ký hiệu phát, ta dùng chớp ảnh (nghĩa là, đáp ứng xung kim tĩnh) kênh để mô Điều lặp điều kiện kênh thay đổi Bằng cách lặp mô cho nhiều điều kiện kênh, ta suy hiệu hệ thống chu kỳ thời gian dài dùng phép đo hiệu xác suất ngừng hoạt động đươc đề cập chương 11 14.1.3 Mô hình kênh rời rạc Trọng tâm chương mơ hình kênh dạng sóng để trình bày tương tác vật lý dạng sóng tín hiệu phát kênh Các mơ hình kênh dạng sóng lấy mẫu tần số lấy mẫu phù hợp Các mẫu xủ lý thơng qua mơ hình mơ Kỹ thuật khác thường hiệu Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 342 cho vài ứng dụng biểu diễn kênh số hữu hạn trạng thái Tiến triển theo thời gian, trạng thái kênh thay đổi theo tập xác suất chuyển dịch, định nghĩa kênh chuỗi Markov Mơ hình kênh kết có dạng mơ hình Markov ẩn (HMM) Giả sử HMM xây dựng xác, việc mơ dựa HMM cho phép đạc tính hóa xác hiệu hệ thống truyền thơng với hiệu tính tốn cao Các mơ hình kênh rời rạc HMM chủ đề chương 15 14.1.4 Phương pháp luận mô hiệu hệ thống truyền thông Mô hiệu hệ thống truyền thông hoạt động kênh bất biến theo thời gian đơn giản Khi này, kênh coi khối tuyến tính bất biến LTIV Mặt khác, kênh thay đổi theo thời gian yêu cầu phải xét cụ thể Phương pháp luận dùng phụ thuộc vào mục đích mơ phụ thuộc vào kênh thuộc loại thay đổi nhanh hay chậm theo tín hiệu phân hệ mô Nhân tố quan trọng khác quan hệ độ rộng băng thông tín hiệu độ rộng băng thơng kênh Mức độ phức tạp mơ hình kênh hàm đặc tính thời gian đặc tính tần số nguồn tín hiệu kênh Nét đặc thù chương Phần đầu dành để triển khai mơ hình cho kênh truyền thơng, bắt đầu mơ hình hàm truyền đạt đơn giản cho kênh "ống dẫn" "kim loại" Kênh bao gồm cáp xoắn, cáp, ống dẫn sóng cáp quang, kênh tuyến tính bất biến theo thời gian LTIV mơ hình đáp ứng xung kim tĩnh hàm truyền đạt đủ Sau đó, ta xét mơ hình kênh cho kênh vơ tuyến khơng gian tự do, tuyến tính thay đổi theo thời gian Phần sau đề cập việc mô kênh truyền thơng, nhấn mạnh việc thực thi mơ hình đường trễ rẽ nhánh TDL cho kênh thay đổi theo thời gian cách ngẫu nhiên Triển khai ba mơ hình đường trễ rẽ nhánh TDL khác theo mức độ tăng dần mức độ phức tạp dung lượng Kết thúc chương mô tả phương pháp luận để mô hiệu hệ thống truyền thông hoạt động kênh pha đinh Qua chương này, kênh truyền thông mặt đất di động nhấn mạnh, lẽ kênh thể phần lớn thách thức q trình mơ hình hóa mơ kênh, ngun nhân quan tâm cao truyền thông vô tuyến 14.2 Kênh hữu tuyến ống dẫn sóng Các hệ thống truyền thông điện dùng nhiều loại dây dẫn khác cáp xốn đơi, cáp đồng trục Các kênh đặc trưng mơ hình mạch điện RLC đặc tính truyền đạt vào/ra mơ hình hoá hàm truyền đạt Dùng hàm truyền đạt lập mơ hình mơ Dễ dàng đo đáp ứng tần số với thay đổi độ dài cáp rút mơ hình hàm truyền đạt dựa kết đo Có thể cần có mạng cáp lớn để định nghĩa kênh cách dùng số biến ngẫu nhiên để đặc trưng hóa tham số hàm truyền đạt hay đáp ứng xung tĩnh Khi này, kênh xem bất biến theo thời gian, khơng cần đến mơ hình kênh thay đổi theo thời gian Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 343 Cáp sợi quang ống dẫn sóng thuộc loại phương tiện truyền sóng có hướng Khi mode truyền lan thay đổi, kênh mơ hình hóa hệ thống tuyến tính bất biến đặc trưng hàm truyền đạt Các hệ thống truyền thơng sóng ánh sáng có hướng dùng sợi quang, hệ thống truyền thông quang không gian tự truyền ánh sáng qua khí Hầu hết hệ thống truyền thơng sóng ánh sáng dùng cáp sợi quang đơn mode đa mode làm kênh truyền, có nguồn số liệu nhị phân, máy thu để tạo định dựa lượng thu khoảng thời gian bit Ngoài việc gây suy hao xung truyền dẫn, sợi quang gây méo hay dãn rộng xung phát Tồn hai chế méo: tán sắc tán sắc liên mode Tán sắc hậu khác vận tốc truyền lan thành phần phổ truyền Tán liên mode thấy sợi đa mode tổng hợp từ số lượng lớn đường truyền lan dọc theo sợi đến đầu vào tách sóng với trễ khác Đây hiệu ứng đa đường Những mối nối khớp nối mạng cáp quang gây phản xạ mà xem tán liên mode phụ Mơ hình kênh đa đường trình bày sơ chương 4, nghiên cứu kỹ phần 14.4 Phần 14.4 nhấn mạnh kênh vô tuyến pha đinh, nội dung trình bày có khả áp dụng cho nhiều loại kênh gồm cáp kim loại cáp sợi quang Quan hệ vào/ra sợi quang mô tả hàm truyền đạt tương đương thông thấp: H( f ) S ( ).G( f ).H im ( ).H c ( , f )d (14.2) Trong phổ nguồn tín hiệu S ( ) hàm bước sóng , G ( ) độ lợi chọn lọc tần số sợi, H im ( ) tán liên mode H c ( , f ) tán sắc Tán liên mode là: Him ( f ) im 2 e im ( 2 f )2 j 2 ftd (14.3) Trong im độ rộng đáp ứng xung rms td trễ thời gian sợi Tán sắc màu là: Hc (, f ) e j 2 f Trong T ( ) (14.4) độ dài sợi quang T ( ) trễ nhóm sợi quang Tìm tập thơng số: phổ nguồn S ( ) , đặc tính phân tán T ( ) , suy hao L( ) từ nhà sản xuất nguồn quang sợi quang, dùng để tính hàm truyền đạt cách thay chúng vào (14.2) lấy tích phân số tần số f khác Dùng số phép lấy xấp xỉ cho T ( ) S ( ) để đơn giản q trình tính tốn hàm truyền đạt Ví dụ, nguồn phổ lý tưởng coi xung tần số Xấp xỉ Gausơ có trung bình 0 dùng cho hầu hết nguồn thực tế Hàm trễ nhóm thường lấy xấp xỉ hàm bậc hai 0 Một Chương 14: Mô hình hóa mơ kênh dạng sóng 344 ước lượng tích phân (14.2), kết lưu trữ dạng bảng, việc mô cho kênh thực cách sử dụng FIR Mơ hình cho (14.2) mơ hình hàm truyền đạt vào/ra cơng suất cho sợi quang, hợp lý để sử dụng hệ thống truyền thơng sóng ánh sáng tách sóng trực tiếp nguồn phổ hẹp so với độ rộng băng thông điều chế Đối với hệ thống băng rộng hệ thống thông tin quang coherent mơ hình khơng hợp lệ 14.3 Kênh vô tuyến Các kênh vô tuyến sử dụng từ sớm cho hệ thống truyền thông đường dài, thử nghiệm Marconi điện báo vơ tuyến Truyền lan sóng vơ tuyến qua khí gồm tầng điện ly - kéo dài vài trăm km bề mặt trái đất tượng phức tạp Truyền lan qua khí phụ thuộc vào nhiều nhân tố tần số, độ rộng băng tần tín hiệu, kiểu ăng ten, địa ăng ten phát ăng ten thu (nông thôn, thành phố, nhà, trời, v.v ) điều kiện thời tiết (khí quyển, mưa, sương mù, v.v ) Các nhà khoa học khí có cố gắng đáng kể để hiểu triển khai mơ hình nhằm mơ tả q trình truyền lan sóng vơ tuyến qua khí Ngồi ra, nhiều chương trình đo đạc thu liệu truyền dẫn thực nghiệm từ tần số cao HF tới sóng viba Tất nỗ lực cho ta cách để mơ hình hố q trình truyền lan sóng vơ tuyến qua khí cách sử dụng mơ hình để phân tích, thiết kế mơ hệ thống truyền thông đại Những tài liệu mơ hình hố kênh vơ tuyến phong phú nỗ lực để tóm tắt chúng vài trang giấy không đủ Tuy nhiên, cố gắng trình bầy vài giải pháp để mơ hình hố mô hệ thống truyền thông Từ quan điểm thiết kế hệ truyền thông, ta phân mô hình truyền lan thành hai loại sau: (i) mơ hình ảnh hưởng phạm vi rộng (được dùng để tính tốn tổn hao truyền sóng); (ii) mơ hình ảnh hưởng phạm vi hẹp (được dùng để mơ hình hố méo thơng tin hiệu ứng đa đường, thay đổi ngẫu nhiên đặc tính truyền lan kênh) Trong khi, loại dùng để thiết lập độ dự trữ cơng suất tuyến phân tích vùng phủ sóng giai đoạn thiết kế khởi đầu, loại thứ hai dùng để thiết kế chi tiết cho hệ thống Ta tập trung vào loại mơ hình thứ hai với mục đích nhấn mạnh giải pháp để mô hiệu Ta bắt đầu mô hình kênh với kênh "gần như" khơng gian tự để khảo sát vùng truyền lan sóng ăng ten phát/thu hồn tồn tự (khơng xảy tượng hấp thụ phản xạ sóng vơ tuyến RF) Khi này, coi khí mơi trường hồn tồn đồng nhất, khơng hấp thụ Trong mơ hình lý tưởng hóa này, kênh làm suy hao tín hiệu khơng gây méo dạng sóng Suy hao tính theo mơ hình truyền lan khơng gian tự định nghĩa là: 4 d Lf (14.5) Trong bước sóng tín hiệu phát, d khoảng cách ăng ten phát/thu vô hướng Khuếch đại ăng ten phát ăng ten thu dùng để tính tốn cơng suất thu thực tế Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 345 Vì đa số kênh thực tế tín hiệu truyền lan qua khí gần mặt đất, nên giả định kênh truyền lan không gian tự khơng cịn phù hợp Ảnh hưởng phải xét đến khí quyển, gây hấp thụ, khúc xạ tán xạ Với băng hẹp, hấp thụ khí dẫn đến suy hao phụ Tuy nhiên, với băng rộng tổn hao lại phụ thuộc vào tần số thường mơ hình hóa hàm truyền đạt Hiệu ứng lọc xét bất biến theo thời gian tựa tĩnh (vì kênh thay đổi chậm so với tín hiệu) Một tượng thuộc khí khác méo pha tầng điện ly, mơ hình hóa đáp ứng pha thay đổi chậm theo thời gian bất biến theo thời gian Một số ví dụ mơ hình hàm truyền đạt dùng để đặc tính hóa loại kênh khí cụ thể mô tả Các ảnh hưởng khí khác, mặt đất, vật thể có mặt đất gần với đường truyền sóng thường tạo truyền dẫn đa đường Truyền dẫn đa đường tín hiệu đến qua nhiều đường phản xạ và/hoặc khúc xạ từ máy phát đến máy thu Các ảnh hưởng thay đổi theo thời gian (do thay đổi điều kiện khí chuyển động tương đối ăng ten phát ăng ten thu thông tin di động) Thuật ngữ tia lửa bắt nguồn từ thiên văn học vô tuyến, sử dụng để mơ tả tính thay đổi theo thời gian đặc tính kênh thay đổi vật lý môi trường truyền lan thay đổi mật độ điện tử tầng điện ly gây phản xạ sóng vơ tuyến tần số cao Thuật ngữ pha đinh đa đường dùng truyền thông di động để mô tả thay đổi điều kiện kênh đặc tính tín hiệu thu Phần cuối chương xét mô hình kênh pha đinh đa đường 14.3.1 Kênh tầng đối lưu Truyền thông tầng đối lưu (không phải điện ly) sử dụng băng tần VHF (30 đến 300 MHz) UHF (300 MHz tới GHz) để truyền tin cự ly vài nghìn km Trong băng tần này, oxy nước có khí hấp thụ lượng RF Tổn hao hấp thụ phụ thuộc vào tần số sóng RF điều kiện khí quyển, độ ẩm thực tế Tập đặc tính điển hình tổn hao truyền lan hấp thụ khí thường thấy nhiều tài liệu Các đặc tính hấp thụ mang tính chọn lọc tần số khí xấp xỉ hàm truyền đạt dạng: H f H 0e j 0,02096 f 106 N ( f ) (14.6) Trong N(f) khúc xạ phức khí cho bởi: N ( f ) N0 D( f ) jN '' ( f ) (14.7) Trong biểu thức (14.6) (14.7) H0 số, N0 khúc xạ phụ thuộc tần số, D(f) hấp thụ khúc xạ, N '' ( f ) hấp thụ, khoảng cách (km) Các tham số phụ thuộc vào tần số điều kiện khí nhiệt độ, áp suất, độ ẩm Các giá trị điền hình thường trình bày dạng bảng liệu Một biết trước điều kiện khí độ rộng băng tần tín hiệu, tính hàm truyền đạt theo thực nghiệm giá trị số khác theo (14.6) Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 346 (14.7) Có thể tìm hàm truyền đạt tương đương thông thấp cách dịch tần số dùng kỹ thuật FIR để mơ mơ hình kênh 14.3.2 Ảnh hưởng mưa lên kênh vô tuyến Mưa có ảnh hưởng đáng kể lên truyền lan sóng viba tần số cao (lớn 10 GHz) Nhiều kỹ thuật đề xuất tài liệu để mơ hình hố ảnh hưởng mưa Suy hao mưa rào hàm tốc độ mưa tần số Khi tốc độ mưa, tần số tín hiệu lớn suy hao lớn Theo đó, suy hao tăng tốc độ mưa tần số tăng Ngoài ra, xuất đỉnh cộng hưởng đặc tính suy hao Các đỉnh cộng hưởng thường xảy 22 GHz 60 GHz Đỉnh 22 GHz xảy nước đỉnh 60 GHz xảy phân tử oxy Suy hao mưa rào thường tính tốn cho vị trí địa lý cụ thể sử dụng tính thống kê tỉ lệ mưa vùng Với thơng tin vệ tinh, tổn hao tính tốn hàm góc ngẩng ăng ten trạm mặt đất (theo chiều ngang) tần số Độ ngẩng thấp có nghĩa có nhiều nước mưa tổn hao cao Ảnh hưởng mưa rào tính toán cụ thể với xác suất ngừng họat động cho trước, phân số thời gian mà BER tuyến vượt giá trị ngưỡng (thường 10-3 cho thông tin thoại 10-6 cho tuyến số liệu) Với độ rộng băng thông (dải thông) tương đối nhỏ, ảnh hưởng mưa tính đến cách đưa thêm thành phần tổn hao phụ vào mơ hình kênh Tuy nhiên, dải thơng tín hiệu lớn, thay đổi suy hao băng thông cần có mơ hình kiểu hàm truyền đạt Đáp ứng biên độ hàm truyền đạt có độ nghiêng tuyến tính (trên độ chia theo log (dB)) đáp ứng pha coi tuyến tính Các kênh tryền lan không gian tự tần số cao sử dụng ăng ten tính hướng cao, có đặc tính phân cực cụ thể Khi bước sóng (tương ứng tần số sóng mang) lớn nhiều so với kích thước phần tử khí khơng có vật cản vật lý đa đường, sử dụng phân cực ăng ten để cách ly (phân lập) kênh Trong hệ thống truyền thông sử dụng nhiều phân cực trực giao cho tín hiệu khác nhau, phải xét đến hiệu ứng khử cực mưa Khử phân cực có nghĩa lượng phân cực rò kết hợp (kết hợp với lượng phân cực trực giao) Điều gây xuyên âm Nếu có hai tín hiệu truyền phân cực trực giao là: si (t ) Ai (t )e ji (t ) , i 1, Thì mơ hình đơn giản cho hai tín hiệu thu với khử phân cực là: r1 (t ) 11s1 (t ) 12 s2 (t ) r2 (t ) 21s1 (t ) 22 s2 (t ) (14.8) (14.9) Trong tỉ số 20 log 11 21 số đo nhiễu phân cực chéo (XPI) lên tín hiệu từ tín hiệu Trong nhiều phép lấy xấp xỉ khả dụng tài liệu để phân tích ảnh hưởng XPI lên hệ thống số tương tự, cần thiết phải tăng cường mơ hệ thống lệch khỏi hệ thống lý tưởng 14.4 Kênh pha đinh đa đường Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 347 14.4.1 Giới thiệu Ta mơ hình hóa mơ tượng đa đường tính chuyển động quy vào pha đinh, hai tượng ảnh hưởng nghiêm trọng lên hiệu Bất kỳ kênh truyền thông vô tuyến có nhiều đường truyền ăng ten phát ăng ten thu Truyền sóng đa đường phản xạ khúc xạ khí phản xạ từ nhà hay vật thể khác Pha đinh đa đường xảy tất hệ thống truyền thông vô tuyến Các hiệu ứng lần quan sát phân tích cho hệ thống tán xạ đối lưu HF năm 1950 1960 Các quan tâm vấn đề mơ hình hóa mô cho pha đinh đa đường hệ thống vô tuyến nhà di động dải tần số 1–60 GHz Mặc dù chế pha đinh khác khái niệm mơ hình hóa, phân tích, mơ giống 14.4.2 Kênh pha đinh đa đường điển hình Để minh hoạ giải pháp cho việc lập mơ hình kênh pha đinh, ta xét kênh truyền thơng di động có hai đường (tia) riêng biệt từ máy di động tới trạm gốc cố định minh hoạ hình 14.1a Mặc dù hình 14.1a có hai đường dễ dàng tổng quát hoá cho N đường Trường hợp N đường đầu kênh (tín hiệu vào máy thu di động) là: N y (t ) an (t ) x t - n (t ) (14.10) n 1 Trong an (t ) , n (t ) suy hao trễ truyền dẫn thành phần đa đường thứ n Lưu ý rằng, trễ suy hao hàm thời gian để tơ di chuyển, trễ suy hao nhiều thành phần đa đường thay đổi hàm thời gian Tín hiệu tổng máy thu tổng lượng lớn thành phần tán xạ Những thành phần với pha ngẫu nhiên đường bao phức kết mơ hình hố trình Gausơ phức theo định lý giới hạn trung tâm Sự di động khoảng cách nhỏ bội (khoảng 15 cm GHz) làm thay đổi pha đáng kể thành phần tán xạ tia, làm cho thành phần cộng với vị trí loại trừ vị trí lân cận Điều dẫn đến cơng suất/biên độ tín hiệu thu thay đổi nhanh gọi pha đinh nhanh hay pha đinh phạm vi hẹp Tòa nhà Đường truyền Trạm gốc BS Đ ng ườ tru yề n Di động Thêi ®iĨm t Thêi ®iĨm t Hình 14.1a: Minh họa kênh pha đinh đa đường Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 348 Cần lưu ý rằng, pha đinh phạm vi hẹp thay đổi pha gây suy hao, thay đổi độ dài đường truyền khoảng nhỏ khoảng cách nhỏ Mặt khác, MS di chuyển khoảng cách lớn chiều dài đường truyền tăng từ lên km, cường độ tín hiệu thu bị suy giảm suy hao thay đổi đáng kể Tính di chuyển khoảng cách lớn (>> ) thay đổi đặc điểm địa hình, ảnh hưởng tới suy hao công suất thu thay đổi chậm Hiện tượng gọi pha đinh chậm hay pha đinh phạm vi rộng, mơ hình hóa riêng biệt thảo luận phần chương Ta thấy đường bao phức đầu vào máy thu từ số lượng lớn thành phần tán xạ trình Gausơ phức Khi này, tình ngẫu nhiên có giá trị trung bình khơng độ lớn trình phân bố Rayleigh Nếu tồn thành phần thẳng LOS trình trở thành trình Ricean Ảnh hưởng trình giải thích ví dụ 14.1 Trong phạm vi định, định nghĩa pha đinh nhanh chậm nhận thấy Tuy nhiên, nói pha đinh nhanh chậm, ta thường nghĩ tốc độ ký hiệu Cụ thể, kênh pha đinh chậm định nghĩa kênh mức tín hiệu thu không đổi nhiều ký hiệu khung liệu Pha đinh nhanh có nghĩa cường độ trường tín hiệu thu thay đổi đáng kể khoảng thời gian ký hiệu Vì thế, định nghĩa pha đinh nhanh chậm phụ thuộc vào tốc độ ký hiệu Tại đây, ta xác định đường bao phức tín hiệu thu Giả sử đầu vào kênh truyền sóng tín hiệu điều chế dạng: x(t ) A(t ).cos 2 fct (t ) (14.11) Vì thực mơ dạng sóng cách sử dụng tín hiệu đường bao phức, nên ta phải xác định đường bao phức cho x(t) y(t) x(t ) y(t ) từ rút h(t , ) Đường bao phức tín hiệu phát x(t ) : Bằng cách kiểm tra (14.11) ta có: x(t ) A(t ).e (t ) (14.12) Đường bao phức tín hiệu thu y(t ) : Được xác định sau Thay (14.11) vào (14.10) ta có tín hiệu thu y(t): N y (t ) an (t ) A t n (t ) .cos 2 f c t n (t ) t n (t ) (14.13) n 1 Có thể viết là: N y (t ) an (t ) A t n (t ) .Re e n 1 j t n ( t ) e j 2 fc n (t ) e j 2 fct (14.14) Vì an(t) A(t) giá trị thực, nên (14.4) viết là: N j t ( t ) y (t ) Re an (t ) A t n (t ) .e n e j 2 fc n (t ) e j 2 fct n 1 Từ (14.12) ta có: (14.15) Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng E g n (t ) n T E c (nT , t ) 362 T p(nT ) (14.56) Và tìm từ giá trị mẫu lý lịch cường độ đa đường p( ) , ví dụ cho hình 14.8 có tổng số nhánh Tmax/T p ( ) n2 T p(nT ) T 2T 3T 4T 5T 6T Tmax Hình 14.8: Các giá trị mẫu lý lịch trễ công suất Các trường hợp đặc biệt Nếu kênh bất biến theo thời gian, c ( , t ) c ( ) độ lợi nhánh trở thành số, vậy: g x t g n T c nT (14.57) Nói cách khác, độ lợi nhánh giá trị mẫu đáp ứng xung kim hệ thống tuyến tính bất biến LTIV, mơ hình đường trễ rẽ nhánh rút gọn thành lọc FIR thực tích chập trong miền thời gian Nếu kênh khơng chọn lọc tần số, có nhánh mơ hình y(t ) x(t ).g (t ) , g (t ) trình Rayleigh q trình Ricean Lấy mẫu Một khía cạnh quan trọng khác mơ hình đường trễ rẽ nhánh TDL đáng lưu ý tỉ lệ x t / lấy mẫu để mơ Mơ hình TDL cho hình 14.8 rút với đầu vào/ra ~ ~ y t thời gian liên tục Tuy nhiên, mô ta sử dụng giá trị mẫu đầu x t / ~ y t , thường lấy mẫu tốc độ (8 đến 32) lần độ rộng băng tần, vào/ra tương ứng ~ độ rộng băng tần phải tính đến ảnh hưởng trải rộng chất thay đổi theo thời gian hệ thống đề cập chương 13 Lưu ý rằng, tốc độ Nyquist 2B, B = r/2 sử dụng để rút mơ hình TDL, khoảng cách nhánh T=1/r lớn nhiều so với thời gian lấy mẫu dạng sóng vào/ra TS Tất nhiên, ta rút mơ hình TDL có khoảng cách nhánh nhỏ (nghĩa nhiều mẫu/ký hiệu hơn) khơng hiệu tính tốn khơng cần thiết cải thiện độ xác mơ Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 363 Tạo q trình độ lợi nhánh Các trình độ lợi nhánh q trình ngẫu dừng có hàm mật độ xắc suất Gausơ hàm mật độ phổ công suất tùy ý Mơ hình đơn giản cho q trình độ lợi nhánh coi chúng trình Gausơ trung bình khơng, phức, khơng tương quan có phương sai khác mật độ phổ cơng suất đồng Khi này, q trình độ lợi nhánh tạo lọc trình Gausơ trắng cho hình 14.9 Độ lợi Đầu vào nhánh n Đầu vào: trình Gausơ trắng phức phương sai đơn vị w (t ) Bộ lọc g n (t ) g (t ) x(t nT ) Đầu nhánh H (f ) Hình 14.9: Tạo trình độ lợi nhánh thứ n Hàm truyền đạt lọc chọn cho tạo mật độ phổ cơng suất doppler mong muốn Nói cách khác, H(f) chọn cho: S gg f S d f S ww f H f H f 2 (14.58) Trong S ww ( f ) mật độ phổ công suất trình tạp âm trắng đầu vào, đặt S gg ( f ) mật độ phổ cơng suất cụ thể q trình độ lợi nhánh Độ lợi lọc chọn cho g~ t có cơng suất chuẩn hóa Độ lợi tĩnh hình 14.9 giải n thích mức cơng suất hay phương sai khác cho nhánh khác Nếu mật độ phổ công suất độ lợi nhánh khác nhau, ta dùng lọc khác cho nhánh khác Các lý lịch trễ công suất mật độ phổ công suất Doppler Như để cập trên, hiệu BER hệ thống nhạy cảm với giá trị trải trễ cực đại rms so với dạng lý lịch trễ công suất Theo đó, ta dùng lý lịch đơn giản dạng đồng mũ để mô Các lý lịch trễ chuẩn hóa để có diện tích đơn vị (nghĩa là, cơng suất tổng chuẩn hóa, diện tích lý lịch trễ cơng suất trung bình cục đặt 1) Vì vậy: Tm p( )dt (14.59) Các trải trễ rms điển hình cho bảng 14.2 Bảng 14.2: Các trải trễ rms điển hình Kiểu tuyến Tán xạ đối lưu Di động trời Khoảng cách tuyến Trải trễ rms 100 km ms (10 ) km -3 s -6 (10 ) Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng Trong nhà 364 -9 10 m ns (10 ) Các mơ hình sử dụng phổ biến cho mật độ phổ công suất Doppler ứng dụng di động coi có nhiều thành phần đa đường, thành phần có trễ khác tất thành phần có phổ Doppler Thực tế, thành phần đa đường (tia) tạo số lượng lớn thành phần đa đường phân giải lúc, có góc tới phân bố ăng ten thu Mơ hình kênh sử dụng Jakes số khác phịng thí nghiệm Bell để rút mơ hình kênh vơ tuyến di động tồn diện cho hiệu ứng Doppler hiệu ứng pha đinh biên độ Phổ Doppler Jake kinh điển có dạng, mơ khởi đầu chương (xem ví dụ 7.11): Sd ( f ) S gn gn ( f ) K ( f / f d )2 fd f fd , (14.60) Trong f d v / dịch doppler cực đại, v vận tốc xe cộ m/s, bước sóng sóng mang Trong phổ Doppler định nghĩa (14.60) phù hợp cho môi trường tán xạ dày đặc khu vực thành phố, “phổ Ricean” khuyến nghị cho mơi trường nơng thơn có thành phần thẳng trực tiếp LOS mạnh pha đinh Ricean Phổ Doppler Ricean có dạng: Sd ( f ) S gn gn ( f ) 0, 41 ( f / f d )2 0, 91 ( f 0, f d ), fd f fd (14.61) Được thấy hình 14.10 Các dạng phổ khác dùng cho mật độ phổ công suất Doppler bao gồm Gausơ Các độ rộng băng tần Doppler điển hình ứng dụng di động 1GHz nằm khoảng từ 10 đến 200 Hz Có nhiều cách thực lọc định dạng phổ Doppler để tạo q trình độ lợi nhánh mơ hình TDL cho kênh dùng mơ hình Jakes Bộ lọc FIR miền thời gian phổ biến mật độ phổ công suất Doppler không dẽ dàng thực thi dạng đệ quy Tạo phổ Jakes dùng kỹ thuật lọc FIR minh họa chương Sd (f) Phổ Jakes (liên tục) Thành phần Ricean f -fd -0,7fd 0,7fd fd Hình 14.10: Minh họa mật độ phổ cơng suất doppler Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 365 Cần lưu ý rằng, tạo trình độ lợi nhánh, độ rộng băng tần trình độ lợi nhánh cho kênh thay đổi chậm theo thời gian nhỏ so với độ rộng băng tần tín hiệu qua chúng Khi này, ta nên thiết kế lọc độ lợi nhánh thực tốc độ lấy mẫu thấp Có thể dùng nội suy đầu lọc để tạo mẫu dày đặc tốc độ phù hợp với tốc độ lấy mẫu tín hiệu đến nhánh Thiết kế lọc tốc độ cao dẫn đến khơng hiệu tính tốn vấn đề ổn định Mơ hình độ lợi nhánh tương quan Việc lấy xấp xỉ trình độ lợi nhánh cho biểu thức (14.53) (14.54) bởi: sin 2 B( nT ) d T c nT , t 2 B nT g n (t ) c ( , t ) (14.62) Dẫn đến hàm độ lợi nhánh không tương quan Khơng lấy xấp xỉ, hàm độ lợi nhánh tương quan Thấy rõ, tương quan gn(t) gm(t) cho bởi: Rm,n ( ) E g m* (t ) g n (t ) Rcc ( , ).sin c B m .sin c B n d (14.63) Trong T = 1/2B khoảng cách nhánh Việc tạo tập trình ngẫu nhiên tương quan có hàm mật độ phổ cơng suất tùy ý khó khăn Việc lấy xấp xỉ làm đơn giản toán chút, tạo giả định hợp lý để tất hàm độ lợi nhánh có mật độ phổ cơng suất Vì vậy, ta giả thiết rằng: S ( , ) m( ) S d ( ) (14.64) Trong S ( , ) hàm tán xạ, m( ) lý lịch cơng suất trễ chuẩn hóa S d ( ) phổ Doppler 14.7.2 Mô kênh pha đinh đa đường rời rạc So sánh với mơ hình đa đường khuếch tán việc mơ mơ hình đa đường rời rạc dễ hiểu hơn, khái niệm Ta phải ln nhớ tính cách động kênh theo thời gian không gian, nên cần phải cẩn thận để tránh chồng phổ Quan hệ vào/ra mơ hình kênh rời rạc cho bởi: y (t ) N (t ) a (t ).x t k 1 k k (t ) (14.65) Trong a~k (t ) suy hao đường dẫn phức thảo luận phần 14.4 Trong (14.65), coi số lượng thành phần đa đường cấu trúc trễ thay đổi chậm so với thay đổi a~k (t ) Vì vậy, trễ k (t ) coi khơng đổi khoảng thời gian mơ phương trình viết sau: Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng y (t ) 366 N (t ) a (t ).x t k 1 k (14.66) k Và thực thi dạng sơ đồ khối cho hình 14.11 Để minh họa giải pháp nhằm mô mơ hình kênh rời rạc, ta coi mơ hình định rõ dạng phân bố xác suất cho N thành phần trễ, suy hao phức hàm trễ Trình bày (chớp ảnh) kênh sau: Lấy số ngẫu nhiên N để có số lượng trễ Rút tập N số ngẫu nhiên từ phân bố cho giá trị trễ Lấy tập N suy hao dựa giá trị trễ Tập 3N số ngẫu nhiên thể chớp ảnh kênh, thực thi cho hình 14.11 Trong hình 14.11, trễ khởi đầu Các trễ lại n , n N trễ vi sai, định nghĩa bởi: n n n 1 , 2nN (14.67) Trong việc thực thi cho hình 14.11 dễ hiểu, nẩy sinh vấn đề trễ lệch thời gian nhỏ Vì tất lấy mẫu, khoảng cách nhánh (nghĩa là, hiệu số trễ n n 1 ) phải biểu diễn theo số nguyên lần chu kỳ lấy mẫu mơ Vì vậy, thời gian lấy mẫu phải nhỏ, nhỏ hiệu số trễ nhỏ nhất, dẫn đến tốc độ lấy mẫu mức gánh nặng tính tốn khơng chấp nhận Ta tránh vấn đề cách triển khai mơ hình TDL với khoảng cách nhánh cách theo giải pháp sử dụng mô cho kênh đa đường khuếch tán phần 14.7.1 x(t ) 1 a1 (t ) 2 ( N 1) / a( N 1) / (t ) a2 (t ) N N 1 aN 1 (t ) aN (t ) y (t ) Hình 14.11: Mơ hình TDL trễ khả biến cho kênh đa đường rời rạc Mơ hình TDL cách cho kênh pha đinh đa đường rời rạc Các độ lợi nhánh mơ hình TDL cách cho (14.53) là: g n (t ) sin 2 B( nT ) d 2 B( nT ) c( , t ) (14.68) Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 367 Thế đáp ứng xung kim kênh đa đường rời rạc, cho bởi: c ( , t ) N (t ) a (t ). (t k 1 k k ) (14.69) Vào phương trình 14.68, ta độ lợi nhánh là: N N g n (t ) ak (t ).sin c k n ak (t ). (k , n) T k 1 k 1 (14.70) Trong (14.70): k n T (k , n) sin c (14.71) Lưu ý đường bao (k , n) giảm n tăng Vì vậy, số lượng nhánh cắt gọn khoảng n m , m chọn để thỏa mãn m TmaxT Với trường hợp, trải trễ cực đại Tmax không vượt lần ký hiệu, số lượng nhánh cần thiết khơng lớn 20 (-m < n < m, m = 10) Tại đây, mơ hình có dạng rút cho mơ hình đa đường khuếch tán minh họa hình 14.7 Quá trình tạo độ lợi nhánh minh họa hình 14.12 Lưu ý rằng, việc tạo trình độ lợi nhánh cho mơ hình đa đường rời rạc dễ hiểu so với việc tạo trình độ lợi nhánh cho trường hợp khuếch tán Ta bắt đầu với tập N trình tạp âm trắng Gausơ phức trung bình khơng độc lập thống kê, chúng lọc để tạo phổ Doppler phù hợp Sau đó, lấy tỉ lệ để tạo lý lịch công suất mong muốn cuối chuyển đổi theo (14.70) để tạo trình độ lợi nhánh (Lưu ý có hai số N đường truyền thấy hình 14.12) 1 w1 (t ) wN (t ) Bộ lọc Doppler Bộ lọc Doppler p ( ) a1 (t ) g m (t ) N aN (t ) g n (t ) ak (t ) (k , n ) 1 k 1 1 Hình 14.12: Tạo trình độ lợi nhánh 1 T 2 T (T ) g m (t ) N T 2 Hình 14.13: Mơ hình hai tia đơn giản chuẩn hóa Để minh họa q trình tính tốn hàm độ lợi nhánh, ta giả thiết: 1 T 0, (14.72) Trong trường hợp này, tìm hàm độ lợi nhánh cách lọc hai q trình tạp âm Gausơ trắng khơng tương quan sau biến đổi chúng thành trình độ lợi nhánh theo (14.70) sau: Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng g 4 (t ) sin c(0, 4) g (t ) sin c(0, 3) 3 g 2 (t ) sin c(0, 2) g 1 (t ) sin c(0, 1) g0 (t ) sin c(0, 0) g1 (t ) sin c(0, 1) g (t ) sin c(0, 2) g3 (t ) sin c(0, 3) g (t ) sin c(0, 4) sin c(0, 3) sin c(0, 3) sin c(0, 2) sin c(0, 1) a1 (t ) sin c(0, 5) a2 (t ) sin c(0, 1) sin c(0, 2) sin c(0, 3) sin c(0, 4) 368 (14.73) Nó là: g 4 (t ) 0, g (t ) 0, 3 g 2 (t ) 0, g 1 (t ) 0, g0 (t ) 1, g1 (t ) 0, g (t ) 0, g3 (t ) 0, g (t ) 0, 0, 0707 0, 0910 0,1273 0, 2122 a1 (t ) 0, 6366 a2 (t ) 0, 6366 0, 2122 0,1273 0, 0909 (14.74) Trong a~1 a~2 định nghĩa hình 14.12 Phương trình cho thấy hệ số phép biến đổi nhánh Ta thấy hệ số không đáng kể với độ lợi nhánh bậc cao kết chúng bỏ qua Vì thế, mơ hình TDL rút gọn lại nhánh Thường dùng mơ hình hai tia để dự đoán hiệu sơ cho kênh pha đinh Xét lý lịch trễ công suất minh họa hình 14.13 Có thể dựa đốn hiệu tham số cách thay đổi tỉ lệ trải trễ chuẩn hóa ( ) / T , T khoảng thời gian ký hiệu tỉ lệ công suất tương đối hai đường ( / ) Nếu 0,1 kết hợp hai đường lại thành mơ hình coi không chọn lọc tần số Nếu > 0,1 có ISI đáng kể kênh kênh coi chọn lọc tần số Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 369 Tín hiệu QPSK x1 z1 y1 Bộ lọc y2 Doppler z2 Nội suy tuyến tính Nội suy tuyến tính tw1 Đầu 1, đầu tw1 Các trọng số nhánh x2 Bộ lọc Doppler tw2 TrÔ mÉu tw2 Đầu QPSK Đầu 2, đầu 1/ a) Tạo trọng số nhánh b) Xử lý sóng mang tín hiệu QPSK Hình 14.14: Các sơ đồ khối hệ thống mơ Ví dụ 14.2: Trong ví dụ này, ta xét ảnh hưởng pha đinh Doppler lên truyền dẫn tín hiệu QPSK kênh đa đường rời rạc Sơ đồ khối cho hình 14.14 Việc tạo trọng số nhánh cho hình 14.14(a) Thực thi lọc doppler cách dùng mơ hình Jakes định nghĩa biểu thức (14.60) với K = fd = 100 Hz Các q trình độ lợi nhánh khơng tương quan Gausơ Khoảng cách nhánh dựa vào độ rộng băng tần 20 kHz (độ rộng băng tần tương đương thông thấp là10 kHz) Các trọng số nhánh ký hiệu tw1 tw2 Tín hiệu phức nhân với trọng số nhánh phức Cả tín hiệu QPSK phức sóng mang phức sử dụng làm đầu vào Sóng mang định nghĩa bởi: c(t ) e j 2 (1000)t (14.75) Trễ mẫu tương đương với nửa thời gian ký hiệu Chi tiết thêm cho mã chương trình Matlab NVD14jakes.m phụ lục 14A Hình 14.15: Mật độ phổ công suất đầu vào (trên) đầu (dưới) Hình 14.16: Đầu vào đầu QPSK kênh đồng pha Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 370 Hình 14.17a: Đường bao đầu số mũ phức Độ dài mô xác định từ số lần xét Để quan trắc phổ đầu vào/ra cho trường hợp số mũ phức, cần có 10 đến 20 chu kỳ số mũ phức Tại thời điểm, để bắt giữ ảnh hưởng kênh thay đổi theo thời gian, ta cần phải mơ q trình pha đinh khoảng thời gian (5 đến 10) lần nghịch đảo độ rộng băng tần Doppler Hai vấn đề dẫn đến thời gian mô 1/20 giây 8,000 mẫu Chạy chương trình Matlab NVD14jakes.m cho phụ lục 14A nhận kết hình 14.15, 14.16 14.17 Các tín hiệu sóng mang đầu vào/ra cho hình 14.15 Đầu vào (trên) tín hiệu 1000 Hz, đầu (dưới) minh họa dãn phổ Doppler Đầu vào/ra kênh đồng pha minh họa hình 14.16 Tín hiệu đầu vào (trên) có hai mức mong đợi Tín hiệu đầu (dưới) có nhiều hai mức giao thoa ký hiệu ISI Đường bao tín hiệu đầu QPSK minh họa hình 14.17(a) Đặc tính kênh miền thời gian tần số minh họa hình 14.17(b) Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 371 Hình 14.17(b): Minh họa đặc tính kênh miền thời gian tần số 14.7.3 Các mơ hình kênh pha đinh đa đường rời rạc điển hình Phần này, trình bày ví dụ mơ hình đa đường rời rạc để mơ hiệu hệ thống truyền thơng vơ tuyến Mơ hình đầu tiên, gọi mơ hình Rummler cho tuyến vi ba mặt đất tháp ăng ten cố định Đây kênh vơ tuyến tầm nhìn thẳng LOS có thành phần đa đường sử dụng ăng ten tính hướng cao, thuộc tính bắt đầu kênh tầng đối lưu dùng vi ba LOS ăng ten lớn thành phần đa đường ăng ten lớn có nghĩa trường nhìn thấy ăng ten giới hạn góc tới nhỏ Ngồi ra, ăng ten cố định, nên thay đổi theo thời gian đặc tính kênh thay đổi điều kiện khí hậu gây Các thay đổi coi chậm so với độ rộng băng tần Vì vậy, mơ hình Rummler mơ hình đa đường với pha đinh chậm Mơ hình thứ hai, kênh vơ tuyến di động Các kênh có nhiều thành phần đa đường sử dụng ăng ten vơ hướng, bắt nhiều phản xạ với trễ truyền sóng thay đổi lớn, đặc biệt vùng thành phố Chúng phải chịu pha đinh nhanh hơn, số lượng lớn thành phần đa đường phải chựu dịch pha sóng mang lớn thay đổi khoảng cách nhỏ kết hợp mạnh yếu khoảng cách nhỏ Mơ hình Rummler cho kênh vi ba mặt đất LOS Một mơ hình dùng rộng rãi cho tuyến vi ba mặt đất hoạt động dải tần số 4-6 GHz tháp cố định, triển khai Rummler Mơ hình dựa tập giả định số liệu đo đạc sử dụng để đạt giá trị số tham số mơ hình Cho trước địa hình tuyến tham số ăng ten, Rummler đưa giả thiết mơ hình tia dạng: y(t ) x(t ) x(t ) x(t ) (14.76) Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 372 Trong x(t) y(t) đầu vào/ra thông dải tương ứng Ở dạng đường bao phức, mơ hình có dạng: y(t ) x(t ) e j 2 fc1 x(t ) e j 2 fc x(t ) (14.77) Và hàm truyền đạt tương đương thông thấp kênh Rummler cho bởi: H ( f ) e j 2 ( fc f )1 e j 2 ( fc f ) (14.78) Đơn giản hóa mơ hình dựa giả thiết, độ rộng băng tần xét, ( f c f ) , exp( j 2 ( f c f ) ) và: H ( f ) e j 2 ( fc f ) (14.79) Đơn giản hóa giả sử tần số “hình V”, độ lớn đáp ứng cực tiểu fc + f0 trường hợp thông băng f0 mơ hình thơng thấp, dạng cuối hàm truyền đạt tương đương thông thấp viết là: H ( f ) a 1 b.e j 2 ( f0 f ) (14.80) Trong a tồn suy hao, b /(1 ) tham số định dạng Giá trị tham số số trễ chọn để phù hợp với số liệu đo, có giá trị 6.3ns Lưu ý rằng, trễ nhỏ Đáp ứng biên độ mơ hình Rummler là: H ( f ) a 1 b2 2b.cos(2 ( f f ) ) (14.81) Và ví dụ đáp ứng độ lớn cho hình 14.18 Các tham số a b chuẩn hóa biểu diễn đơn vị dB minh họa bảng 14.3 Phân tích liệu kênh nhận phân bố mũ cho B1 B2 có giá trị trung bình 3,8 dB Tương tự vậy, A1 A2 Gausơ với độ lệch chuẩn dB Các trung bình là: B 500 B 800 24, 6. Trong B = B1 A1 B = B2 A2 Hàm mật độ xác suất 2 f0 cho hình 14.19 -20 dB f ( ) Độ sâu hình V / = 20 log10 1-b -40 dB Độ rộng băng kênh /6 f (MHz) 50 100 150 Hình 14.18: Minh họa đáp ứng biên độ kênh Rummler /2 /2 Hình 14.19: Hàm mật độ xác suất Bảng 14.3: Các tham số mơ hình Rummler Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng Trường hợp pha cực tiểu (b < 1) 373 Trường hợp pha không cực tiểu(b > 1) A1 20 log10 a A2 20 log10 ab B1 20 log10 1 b B2 20 log10 1 b Để mô chớp ảnh kênh Rummler, ta rút tập số ngẫu nhiên Lấy số U phân bố [0,1] Nếu U > 0,5, coi pha tối thiểu Nếu U < 0,5, coi pha không tối thiểu (các thăng giáng pha tối thiểu pha không tối thiểu coi đồng khả năng) Rút số ngẫu nhiên phân bố theo luật số mũ cho B1 B2 Rút số ngẫu nhiên Gausơ cho A1 A2 sử dụng giá trị B1 B2 Rút số ngẫu nhiên cho tập tần số hình V f / 2 , 6.3ns Các tham số định nghĩa chớp ảnh kênh Rummler Vì kênh coi thay đổi chậm so với tốc độ ký hiệu, nên chuỗi chớp ảnh kênh đầy đủ để ước lượng hiệu sử dụng mô Monte Carlo cho chớp ảnh tạo mơ hình Lưu ý rằng: Các chương trình mơ cho kênh cho NVD14MFC1.m NVD14MFC2.m có phụ lục 14A Các mơ hình cho kênh di động Các mơ kênh rời rạc dùng rộng rãi cho kênh vô tuyến nhà ngồi trời Nhiều mơ hình dựa số liệu tập hợp phạm vi rộng mơi trường truyền sóng Một số lượng lớn mơ hình tốn học mơ hình đề xuất gần đây, nhà thiết kế hệ thống phải đối mặt với vấn đề chọn tập trình bày mơ hình kênh để thể kênh, hệ thống hoạt động thỏa đáng May thay, vài hướng dẫn việc chọn mơ hình cung cấp nhóm tiêu chuẩn quốc tế, định rõ tập kênh “miêu tả” để phân tích mơ hiệu loại hệ thống truyền thông khác Dưới trình bày hai trường hợp điển hình Các mơ hình kênh rời rạc cho ứng dụng GSM Hệ thống thơng tin di động tồn cầu GSM tiêu chuẩn để truyền thông di động băng tần từ (1 đến 2) GHz sử dụng kênh tần số vô tuyến RF 200 KHz để truyền thông, ghép kênh phân chia theo thời gian Thời gian ký hiệu GSM vài s Các mô hình GSM khuyến nghị mơ hình rời rạc gồm 12 tia (đường) định rõ cho ba kịch khác nhau: nông thôn, đồi núi thành thị Với kịch bản, định rõ hai mô hình Ngồi mơ hình 12 tia, tập mơ hình đơn giản có tia (đường) định nghĩa Các mơ hình 12 tia tia cho vùng thành thị cho bảng 14.4 bảng 14.5 Ngồi ra, có mơ hình cụ thể để kiểm tra hiệu cân Viterbi Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 374 dùng hệ thống GSM cho bảng 14.6 Tất công suất tương đối đơn vị dB (1) (2) định rõ hai mơ hình tương đương Bảng 14.4: Lý lịch điển hình cho vùng thành thị (mơ hình 12 tia) Tia Thời gian tương đối giây Thời gian tương đối giây Cơng suất trung bình dB Cơng suất trung bình dB (1) (2) (1) (2) 0,0 0,0 -4,0 -4,0 Jakes 0,1 0,2 -3,0 -3,0 Jakes 0,3 0,4 0,0 0,0 Jakes 0,5 0,6 -2,6 -2,0 Jakes 0,8 0,8 -3,0 -3,0 Jakes 1,1 1,2 -5,0 -5,0 Jakes 1,3 1,4 -7,0 -7,0 Jakes 1,7 1,8 -5,0 -5,0 Jakes 2,3 2,4 -6,5 -6,0 Jakes 10 3,1 3,0 -8,6 -9,0 Jakes 11 3,2 3,2 -11,0 -11,0 Jakes 12 5,0 5,0 -10,0 -10,0 Jakes Phổ Doppler Bảng 14.5: Lý lịch rút gọn cho khu vực thành thị (mơ hình tia) Thời gian tương đối giây Thời gian tương đối giây Công suất trung bình dB Cơng suất trung bình dB (1) (2) (1) (2) 0,0s 0,0s -3,0 -3,0 Jakes 0,2 0,2 0,5 0,0 Jakes 0,5 0,6 -2,0 -2,0 Jakes 1,6 1,6 -6,0 -6,0 Jakes 2,3 2,4 -8,0 -8,0 Jakes 5,0 5,0 -10,0 -10,0 Jakes Tia Phổ Doppler Cần lưu ý thời gian ký hiệu hệ thống vài s vài trễ vi phân 0.1s nghĩa nên dùng tốc độ lấy mẫu 10M mẫu/giây để biểu diễn trễ nhỏ Một giải pháp khác, phác thảo phần trước, sử dụng TDL khoảng cách nhánh ký hiệu (các hàm độ lợi nhánh tương quan) để giảm tải tính tốn Bảng 14.6: Lý lịch để kiểm tra cân Tia Thời gian tương đối Công suất trung bình Phổ doppler 0,0s 3,2 6,4 9,6 0,0dB 0,0 0,0 0,0 Jakes Jakes Jakes Jakes Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 12,8 16,0 375 0,0 0,0 Jakes Jakes Các mơ hình rời rạc cho ứng dụng PCS Đối với hệ thống truyền thông PCS hoạt động băng tần 2GHz, tiêu chuẩn vừa chấp thuận tập mơ hình rời rạc cho mơi trường điển hình Các mơ hình tóm tắt bảng 14.7, 14.8, 14.9 Đối với mơ hình cho bảng 14.7, cho bảng 14.8 cường độ tia E a Bảng 14.7: Các tham số cho mô hình ngồi trời tia cho PCS Mơi trường 1 (ns) 2 3 (ns) (ns) Doppler Độ rộng băng tần Doppler Đi 1,500 14,500 Phẳng 12 Hz Mạch vịng vơ tuyến 1,500 14,500 Gausơ 12 Hz Xe cộ 1,500 15,500 Jakes 180 Hz Bảng 14.8: Cường độ tia Tia Công suất (dB) -3 -6 Bảng 14.9: Các tham số mơ hình nhà PCS Môi trường Khoảng cách nhánh Số nhánh Phổ Doppler Độ rộng băng tần Doppler Nhà riêng 50 (ns) Gausơ Hz Cơ quan 50 Gausơ Thương mại 50 12 Phẳng 30 Nên lưu ý rằng, hiệu số trễ 50 ns (mơ hình nhà) nhỏ so với thời gian ký hiệu hệ thống PCS đề xuất Vì vậy, nên coi pha đinh không chọn lọc tần số nên dùng mơ hình TDL hạn chế băng tần có khoảng cách nhánh ký hiệu cho mơ Các mơ hình kênh đa đường rời rạc cho hệ thống CDMA băng rộng 3G Hệ thống 3G sử dụng CDMA băng rộng hoạt động quanh GHz Các ví dụ mơ hình kênh rời rạc đề xuất cho hệ thống 3G cho bảng 14.10 (Trường hợp 1: nhà, Trường hợp 2: Trong nhà bộ, Trường hợp 3: xe cộ) Bảng 14.10: Các tham số cho kênh W-CDMA 3G Trường hợp (3 km/h) Trường hợp (3 km/h) Trường hợp (120 km/h) Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 376 Trễ (ns) Công suất (dB) Trễ (ns) Công suất (dB) Trễ (ns) Công suất (dB) 0,0 0,0 0,0 244 -9,6 244 -12,5 244 -2,4 488 -35,5 488 -24,7 488 -6,5 732 -9,4 936 -12,7 1220 -13,3 1708 -15,4 1953 -25,4 14.7.4 Mơ hình cho kênh vơ tuyến nhà Các đặc tính pha đinh kênh vơ tuyến nhà khác so với kênh xe cộ khác mơi trường vật lý (kích thước, vật liệu, v.v ) chế truyền lan Mơi trường xe cộ ngồi trời đặc tính hóa tế bào rộng (vài km) thành phần đa đường Mặt khác, môi trường nhà đặc trưng hóa kích thước nhỏ (vài chục m) nhiều thành phần đa đường nhiều phản xạ từ tường, bàn bề mặt khác Một vài mơ hình thống kê cho kênh nhà rút từ đo đạc, mơ hình nhà phân loại mơ hình đa đường rời rạc dày đặc có trải trễ rms khoảng 30 đến 300 ns với thành phần có thống kê đường bao Ricean Chỉ số tổn hao đường điển hình thay đổi từ 1,8 đến Các kỹ thuật mô cho kênh nhà tương tự kênh đa đường khác Tuy nhiên, gặp phải hiệu số trễ nhỏ môi trường nhà cần phải chuyển mơ hình TDL khoảng khơng đồng thành mơ hình TDL khoảng cách đồng đề cập phần 14.7.2 ... 0 Một Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 344 ước lượng tích phân (14. 2), kết lưu trữ dạng bảng, việc mô cho kênh thực cách sử dụng FIR Mơ hình cho (14. 2) mơ hình hàm truyền đạt vào/ra... Hình 14. 15: Mật độ phổ công suất đầu vào (trên) đầu (dưới) Hình 14. 16: Đầu vào đầu QPSK kênh đồng pha Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 370 Hình 14. 17a: Đường bao đầu số mũ phức Độ dài mô. .. Đặc tính kênh miền thời gian tần số minh họa hình 14. 17(b) Chương 14: Mơ hình hóa mơ kênh dạng sóng 371 Hình 14. 17(b): Minh họa đặc tính kênh miền thời gian tần số 14. 7.3 Các mơ hình kênh pha