MÔ HÌNH HÓA KÊNH THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ MÔ PHỎNG

Mục lục Lời nói đầu Trong thời đại hiện nay, cùng với sự phát triển của xã hội thông tin các kỹ thuật viễn thông đóng một vai trò rất quan trọng không thể thiếu trong công cuộc xây dựng và bảo vệ tổ quốc và phát triển của đất nớc. Cùng với sự phát triên nhanh và mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công nghệ viễn thông có những bớc tiến vợt bậc. Việc nghiên cứu thử nghiệm thành công nhiều kỹ thuật mới nh: kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật số, công nghệ vật liệu, kéo theo sự ra đời của nhiều công nghệ mới, đã làm thay đổi căn bản bộ mặt của công nghệ viễn thông, từng bớc nâng cao chất lợng kênh truyền. Các ứng dụng của thông tin liên lạc nói chung đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu trong đời sống xã hội bởi những lợi ích và hiệu quả của nó đem lại. chính vì vậy tất cả các quốc gia trên thế giới đều coi viễn thông là một nghành kinh tế mũi nhọn đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy các thành phần kinh tế phát triển và đều có những chính sách u tiên đầu t phát triển viễn thông nói chung và thông tin di động nói riêng. 1 Trong thông tin di động, kênh truyền chịu nhiều tác động của môi trờng bởi các vật che chắn nh các toà nhà, cây cối. do đó làm biến đổi tín hiệu khi truyền dẫn. dẫn tới máy thu không thu chính xác dạng tín hiệu mà máy phát đã phát đi. để hệ thống thông tin di động có chất lợng cao thì việc làm giảm bớt tác động này của môi trờng là một bài toán đặt ra đối với các nhà thiết kế. Với mục đích trên, đồ án sẽ đi nghiên cứu một số mô hình kênh thông tin để đa ra mô hình phù hợp với thức tế. Việc nghiên cứu xoay quanh hai mục tiêu chính. Thứ nhất là tìm các quá trình thống kê ngẫu nhiên phù hợp nhất cho mô hình các kênh vô tuyến di động không chọn lựa tần số và chọn lựa tần sô. thứ hai tìm kiếm các mô hình mô phỏng một cách hiệu quả và mềm dẻo cho một số kênh vô tuyến di động tiêu biểu. đồ án mô hình hoá kênh thông tin di động và mô phỏng bao gồm 3 chơng nh sau: + Chơng 1: quá trình rice và quá trình rayleigh bằng mô hình tham chiếu + Chơng 2: quá trình suzuki loại 1 và quá trình suzuki loại 2 + Chơng 3 : mô phỏng quá trình suzuki loại 1 và suzuki loại 2 Chơng 1 đồ án đa ra mô hình kênh thông tin cơ sở, sử dụng mô hình tham chiếu để mô tả các quá trình này. Chơng 2 sẽ đi sâu làm rõ hai quá trình suzuki loại 1 và loại 2 đối với các môi tr- ờng với vùng che khuất mạnh và yếu khác nhau. Chơng 3 mô phỏng kết quả bằng chơng trình matlab của hai quá trình suzuki đối với các vùng che khuất khác nhau. Sau một thời gian nghiên cứu, đợc sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hng dn v cỏc thy cụ trong khoa, đến nay đồ án ca em đã đợc hoàn thành. Do trình độ và thời gian còn hạn chế, nội dung của đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận đợc sự đống góp và chỉ đạo của các thầy cô giáo và các bn. Em xin chõn thnh cm n! 2 Chơng 1 quá trình rice và quá trình rayleigh bằng mô hình tham chiếu 1.1. Tổng quan kênh thông tin di động Trong thông tin di động, sóng điện từ đợc phát ra thờng không trực tiếp truyền tới anten thu do thờng bị che khuất. thực tế sóng thu đợc là xếp chồng của nhiều sóng tới sau khi đã phản xạ, nhiễu xạ, và tán sắc do quá trình truyền lan gặp những chớng ngại vật nh toà nhà, cây, Tác động này gọi là hiện tợng đa đ- ờng. Quá trình truyền lan điển hình cho kênh di động mặt đất đợc chỉ ra trong hình (1.1). 3 Hình1.1: hiện tợng đa đờng của kênh vô tuyến di động trong môi trờng vô tuyến di động mặt đất. truyền dẫn đa đờng, tín hiệu thu đợc đợc cấu thành từ rất nhiều phiên bản bị suy giảm, dữ chậm, và dịch pha. Tuỳ thuộc vào pha của các tín hiệu thành phần, tín hiệu tổng có thể đợc tăng cờng hoặc suy giảm. đối với tín hiệu số, dạng sóng đợc truyền đi có thể bị méo dạng trong khi truyền và thờng có vài phiên bản tách biệt nhau xuất hiện tại máy thu do truyền dẫn đa đờng. Tác động này gọi là tán sắc xung. Giá trị của tán sắc xung phụ thuộc vào sự khác nhau về độ trễ đờng truyền và quan hệ biên độ của từng sóng tới. Bên cạnh hiện tợng đa đờng, hiệu ứng doppler cũng gây ảnh hởng xấu tới đặc tính truyền dẫn của kênh vô tuyến di động. Vì sự di chuyển của máy thu, hiệu ứng doppler gây ra dịch tần của các sóng tới riêng biệt. góc tới n đợc xác định bởi hớng tới của sóng tới thứ n và hớng chuyển động của máy thu đợc chỉ ra trong hình (1.2). chúng ta xác định tần số doppler của sóng tới thứ n theo mối quan hệ sau. 4 .cos: max nn ff = (1.1a) Hình 1.2: góc tới n của sóng tới n minh hoạ hiệu ứng doppler Trong trờng hợp này, max f là tần số doppler lớn nhất liên hệ với tốc độ của máy thu v, tốc độ ánh sáng 0 c , và tần số sóng mang 0 f bởi phơng trình: 0 0 max f c v f = (1.1b) Các phơng pháp mới của mô hình các kênh vô tuyến di động là đặc biệt hữu ích, không những cho mô hình các đặc tình thống kê của các kênh thực đối với hàm mật độ xác suất (thống kê bậc một) của kênh, mà còn đối với tốc độ cắt mức (thống kê bậc hai) và khoảng thời gian suy giảm trung bình (thống kê bậc hai). đồ án sẽ nhằm vào hai mục tiêu chính. Thứ nhất là tìm các quá trình thống kê phù hợp nhất cho mô hình các kênh vô tuyến di động không chọn lựa tần số và chọn lựa tần sô. thứ hai tìm kiếm các mô hình mô phỏng một cách hiệu quả và mềm dẻo cho một số kênh vô tuyến di động tiêu biểu. Với các mục tiêu đó, các mối quan hệ đợc chỉ ra trong hình (1.3), minh hoạ sự liên kết giữa kênh vật lý, mô hình tham chiếu ngẫu nhiên , và mô hình mô phỏng tiền định sẽ đợc sử dụng trong suốt đồ án. 5 Hình 1.3: mối quan hệ giữa kênh vật lý, mô hình tham số thống kê ngẫu nhiên, mô hình mô phỏng tiền định , và đo lờng. 1.2. Mô tả tổng quát quá trình rice và rayleigh Tổng hợp các thành phần tán sắc của tín hiệu thu đợc khi truyên sóng mang không điều chế qua kênh thông tin di động không chọn lọc tần số ở dạng băng phức tơng đơng đợc biểu diễn bởi quá trình ngẫu nhiên gaussian biến phức có kỳ vọng bằng 0. ).()()( 21 tjtt ààà += (1.1c) Thông thờng, có thể giả thiết rằng các quá trình ngẫu nhiên gaussian biến thực )( 1 t à và )( 2 t à không tơng quan về mặt thống kê. đặt phơng sai của các quá trình )(t i à là { } 2 0 )( à =tVar i với i = 1,2 thì phơng sai của )(t à sẽ là { } 2 0 2)( à =tVar thành phần tia trực tiếp của tín hiệu thu sẽ đợc biểu diễn trong thành phần biến thiên theo thời gian một cách tổng quát nh sau. ))2(exp()()()( 21 +=+= fjtjmtmtm (1.2) trong đó ,, , f biểu thị biên độ, tần số doppler và pha của thành phần tia trực tiếp tơng ứng. Nên lu ý rằng do ảnh hởng hiệu ứng doppler, quan hệ 0= f đợc 6 giữ nếu hớng của sóng tới là trực giao với hớng di động của thiết bị thu. Do đó (1.2) trở thành bất biến theo thời gian. j ejmmm =+= 21 . (1.3) Tại anten thu, chúng ta có sự chồng của tổng các thành phần tán sắc với thành phần tia trực tiếp. trong mô hình chọn lựa này, tổng xếp chồng này bằng tổng hai biểu thức (1.1c) và (1.2). do đó, chúng ta đa ra quá trình ngẫu nhiên gaussian biến phức với giá trị biến thiên trung bình theo thời gian )(tm . )()()()()( 21 tmttjtt +=+= àààà (1.4) Nh chúng ta đã biết, lấy giá trị tuyệt đối của (1.1c) và (1.4) dẫn tới quá trình rayleigh và quá trình rice tơng ứng. để phân biệt rõ mỗi quá trình này, chúng ta sẽ biểu điễn quá trình rayleigh nh sau : )()()()( 21 tjttt ààà +== (1.5) và quá trình rice. )()()()( tmttt +== àà (1.6) 1.3. đặc tính cơ bản của quá trình rice và quá trình rayleigh Hình dạng của hàm mật độ phổ công suất của quá trình ngẫu nhiên gaussian tơng tự nh mật độ phổ công suất doppler nhận đợc từ năng lợng của các sóng điện từ tới anten thu và phân bố các góc tới. Hơn nữa giản đồ hớng của an ten thu có ảnh hởng quyết định tới hình dạng mật độ phổ công suất doppler. Với anten đẳng hớng, chúng ta có thể dễ dàng tính mật độ phổ công suất (doppler) )( fS àà của các thành phần tán sắc )()()( 21 tjtt ààà += nh sau )()()( 2211 fSfSfS àààààà += (1.7) trong đó max max 2 max max 2 0 .,0 )( , )(1. ff fS ff f f f ii > = àà (1.8) 7 đúng với i = 1;2 và max f biểu thị tần số doppler lớn nhất. Biểu thức (1.8) thờng đợc gọi là mật độ phổ công suất jakes (jakes PSD). xét (1.7) và (1.8), chúng ta thấy rằng )( fS àà là hàm chẵn. tuy nhiên, đặc tính này không tồn tại nếu hiệu ứng che khuất giới hạn không gian ngăn cản phân bố đẳng hớng của các sóng thu hoặc anten hình quạt với giản đồ hớng đợc sử dụng tại phía thu. Năng lợng điện từ trờng phản xạ trong môi trờng từ các trờng hợp trên có thể nhận đợc với những cờng độ khác nhau với sóng tới từ một hớng xác định. Trong trờng hợp này, mật độ phổ công suât doppler )( fS àà của quá trình ngẫu nhiên phức gaussian (1.1c) là không đối xứng trong biến đổi ngợc fourier của )( fS àà cho mật độ phổ công suất jakes (1.8) nhận đợc hàm tự tơng quan )()()( 2211 àààààà rrr += (1.9) trong đó: .2,1,)2()( max0 2 0 == ifJr ii àà (1.10) và (.) 0 J biểu thị hàm bessel bậc 0 loại 1. mật độ phổ công suất jakes (1.8) đợc biểu diễn cũng nh hàm tự tơng quan t- ơng ứng (1.10) trong hình (1.4a) và (1.4b). 8 Hình 1.4: (a) mật độ phổ công suất )( fS ii àà và (b) hàm tự tơng quan tơng ứng )( àà ii r )1,91( 2 0max == Hzf . Cùng với mật độ phổ công suất jakes (1.8), mật độ phổ công suất gaussian (gaussian psd) sẽ đóng vai trò quan trọng trong phần sau ,2,1,.))(2lnexp( 2ln )( 2 2 0 == i f f f fS Cc ii àà (1.11) trong đó c f biểu thị tần số cắt 3-dB. Biến đổi ngợc fourier cho mật độ công suất gaussian (1.11) nhận đợc hàm tự tơng quan . ) 2ln exp()( 2 0 àà c f r ii = (1.12) Trong hình (1.5), mật độ phổ công suất gaussian (1.11) đợc minh hoạ với hàm tự tơng quan tơng ứng (1.12). Hình 1.5: (a) mật độ phổ công suất gaussian )( fS ii àà và (b) hàm tự tơng quan tơng ứng )( àà ii r ( max 2ln ff c = , 1,91 2 0max == Hzf ). Các đặc tính định lợng cho mật độ phổ công suất doppler )( fS ii àà là độ dịch tần doppler trung bình ii B àà )1( và độ trải doppler ii B àà )2( .dịch tần doppler trung 9 bình (trải doppler) diễn tả lợng dịch tần (trải tần) trung bình mà tín hiệu sóng mang phải chịu đựng trong khi truyền. độ dịch tần doppler trung bình )1( II B àà là moment bậc nhất của )( fS ii àà và trải doppler )2( II B àà là căn bậc hai của moment chính bậc hai của )( fS ii àà . Do vậy, ii B àà 1 , ii B àà 2 đợc xác định bởi = dffS dffSf B ii ii ii )( )( : )1( àà àà àà (1.13a) và = dffS dffSBf B ii iiii ii )( )()( : 2)1( )2( àà àààà àà (1.13b) với i = 1;2 tơng ứng. biểu thức tơng đơng với các biểu thức (1.13a) và (1.13b) có thể nhận đợc bởi sử dụng hàm tự tơng quan )( àà ii r cũng nh đạo hàm bậc nhất và bậc hai tại 0. )0( )0( . 2 1 : )1( ii ii ii r r j B àà àà àà = và )0( )0( )0( )0( 2 1 2 )2( ii ii ii ii ii r r r r B àà àà àà àà àà = (1.14a,b) với i = 1;2. tơng ứng. đối với trờng hợp đặc biệt quan trọng trong đó mật độ phổ công suất doppler )( 11 fS àà và )( 22 fS àà là giống và đối xứng nhau, 0)0( = ii r àà (i = 1,2) thoả mãn. khi đó, sử dụng (1.7), chúng ta nhận đợc những biểu thức sau cho các đại lợng t- ơng ứng của mật độ phổ công suất doppler )( fS àà 0 )1()1( == ii BB àààà và 0 )2()2( 2 àààà == ii BB (1.15a,b) trong đó: 0)0( 2 0 = ii r àà và 0)0( = ii r àà Chúng ta sử dụng (1.15a,b), đặc biệt cho mật độ phổ công suất jakes và mật độ phổ công suất gaussian, các biểu thức sau: 10 [...]... dụng cho mô hình suy giảm trong thời gian ngắn 2.1.1 mô hình hoá và phân tích fading trong thời gian ngắn Với việc mô hình hoá fading trong thời gian ngắn theo cách đó là fading nhanh, chúng ta sẽ xét quá trình rice (1.6) (t ) = à (t) = à (t ) + m(t ) , (2.1a) Trong đó thành phần trực tiếp m(t ) đợc biểu di n theo (1.2) và à (t ) là quá trình ngâu nhiên gaussiain biến phức băng hẹp đợc biểu di n bởi... dẻo của mô hình thống kê đợc cải thiện Quá trình tích nhận đợc từ quá trình rice dựa trên các quá trình ngẫu nhiên gaussian tơng quan chéo và quá trình chuẩn loga đợc đa ra với tên gọi là quá trình suzuki mở rộng (loại 1) quá trình này là thích hợp với mô hình ngẫu nhiên cho lớp lớn các kênh vệ tinh và vô tuyến di động mặt 18 đất trong các môi trờng mà ở đó kết nối hớng trực tiếp giữa máy phát và máy... trình suzuki mở rộng (loại 1) đợc biểu di n bởi (t ) , đợc coi là tích của quá trình rice (t ) với các quá trình ngẫu nhiên gaussian cơ sở tơng quan chéo à1 (t ) , à 2 (t ) và một quá trình chuẩn loga (t ) (t ) = (t ). (t ) (2.45) (Hình 2.5 ) biểu di n cấu trúc của mô hình tham chiếu tạo ra (t ) cho kênh vô tuyến di động không lựa chọn tần số 34 Hình 2.5: mô hình tham chiếu cho quá trình suzuki... giá trị kỳ vọng E{ 3 (t )} = 0 và phơng sai Var{ 3 (t )} = 1 để khớp với mô hình các tham số thống kê của các kênh thực, mô hình tham số m3 và 3 có thể đợc sử dụng cùng 2 với tham số của quá trình rice ( 0 , f max , f min , , f ) do đó, chúng ta giả sử rằng quá trình thống kê 3 (t ) là độc lập thống kê với các quá trình 1 (t ) và 2 (t ) Hình (2.4) minh hoạ mô hình tham chiếu đối với quá trình... là quá trình ngâu nhiên gaussiain biến phức băng hẹp đợc biểu di n bởi (1.1c), mà phần thực và phần ảo của à (t ) có kỳ vọng 0 và phơng sai giống nhau 2 2à 1 = 2à 2 = 0 Hình 2.1: mô hình tham chiếu cho quá trình rice (t ) quá trình ngẫu nhiên gaussian tơng quan chéo à1 (t ) và à 2 (t ) Hình (2.1) mô tả mô hình tham chiếu cho quá trình rice (t ) , quá trình ngẫu nhiên gaussian biến phức làm cơ sở... và vuông pha tơng quan chéo à1 (t ) và à 2 (t ) ,do đó, F (r ) là kết quả của phép chia (2.31) cho (2.27) 2 ảnh hởng của tham số 0 và 0 lên khoảng thời gian suy giảm trung bình T _ (r ) f max đợc mô tả trong hình (2.3a) và (2.3b) tơng ứng Hình 2.3: khoảng thời gian suy giảm trung bình chuẩn hoá T (r ) f max của quá f 2 2 trình rice (a) 0 = min f max , 0 =1 và (b) 0 ( 0 =1, = 0) 2.1.2 mô hình. .. chuyển thành quá trình rayleigh (t ) , mà các biến thiên biên độ đợc biểu di n bằng phân bố rayleigh x x2 exp( 2 ) 2 0 2 0 x0 p (x ) = (1.19) 0 x . trình rice và quá trình rayleigh bằng mô hình tham chiếu 1.1. Tổng quan kênh thông tin di động Trong thông tin di động, sóng điện từ đợc phát ra thờng không trực tiếp truyền tới anten thu do thờng. hình mô phỏng một cách hiệu quả và mềm dẻo cho một số kênh vô tuyến di động tiêu biểu. đồ án mô hình hoá kênh thông tin di động và mô phỏng bao gồm 3 chơng nh sau: + Chơng 1: quá trình rice. tế mũi nhọn đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy các thành phần kinh tế phát triển và đều có những chính sách u tiên đầu t phát triển viễn thông nói chung và thông tin di động nói riêng. 1