Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu về Fading và các biện pháp chống fading trong mạng thông tin di độngNghiên cứu về Fading và các biện pháp chống fading trong mạng thông tin di độngNghiên cứu về Fading và các biện pháp chống fading trong mạng thông tin di độngNghiên cứu về Fading và các biện pháp chống fading trong mạng thông tin di độngNghiên cứu về Fading và các biện pháp chống fading trong mạng thông tin di động
LỜI CẢM ƠN Được đồng ý hướng dẫn làm đồ án tốt nghiệp thầy TS Phạm Văn Phước, em thực đề tài “Nghiên cứu Fading biện pháp chống fading mạng thông tin di động” Để hoàn thành đồ án này, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo tận tình hướng dẫn, giảng dạy em suốt trình học tập rèn luyện Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam Em xin cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn Phạm Văn Phước tận tình, chu đáo hướng đẫn em thực đồ án Mặc dù có nhiều cố gắng để thực đề tài cách hoàn chỉnh Song buổi đầu làm quen với việc làm đồ án tốt nghiệp nên tránh khỏi thiếu sót mà thân em chưa thấy Em mong góp ý thầy giáo, cô giáo toàn thể bạn để đồ án em hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày 12 tháng 12 năm 2015 Sinh viên TRẦN THỊ LUYÊN i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu hướng dẫn trực tiếp thầy TS Phạm Văn Phước Nếu vi phạm quy chế hay gian trá xin chịu hoàn toàn trách nhiệm ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vi DANG MỤC CÁC HÌNH vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ HỆ THỐNG GSM 1.1 KHÁI QUÁT VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG 1.1.1 Lịch sử phát triển 1.1.2 Đặc điểm truyền sóng thông tin di động 1.1.3Phân loại hệ thống thông tin vô tuyến di động 1.1.4 Hệ thống vô tuyến di động TDMA .8 1.1.5 Các vấn đề kỹ thuật đảm bảo chất lượng liên lạc .11 1.2 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG GSM 14 1.2.1 Lịch sử hình thành phát triển GSM .14 1.2.2 Một số ưu điểm hệ thống GSM 15 1.2.3 Các thông số GSM 16 1.2.4 Cấu trúc hoạt động mạng GSM .17 iii CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA FADING ĐỐI VỚI MẠNG GSM .24 2.1 HIỆN TƯỢNG FADING TRONG MẠNG GSM 24 2.1.1 Khái niệm Fading 24 2.1.2 Fading chậm fading nhanh 27 2.1.3 Fading phẳng Fading lựa chọn tần số 28 2.2 MÔ HÌNH KÊNH TRONG MẠNG GSM .30 2.2.1 Khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường 30 2.2.2.Đáp ứng xung kênh không phụ thuộc thời gian 32 2.2.3 Đáp ứng xung kênh phụ thuộc thời gian 36 2.2.4 Các mô hình kênh 38 2.3 CÁC BIỆN PHÁP CHỐNG FADING TRONG MẠNG GSM 41 2.3.1 Bộ cân miền thời gian 41 2.3.2 Bộ cân miền tần số 43 2.3.3 Các kỹ thuật phân tập .45 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP CHỐNG FADING TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 48 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 48 3.2 KÊNH VÀ MODEM HỆ THỐNG 49 3.3 PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI TỐC ĐỘ VÀ PHẤT XẠ CÔNG SUẤT TỐI ƯU 51 iv 3.3.1 Không có tính vòng lặp .52 3.3.2 Tổ hợp với tỷ lệ cực đại 53 3.3.3 Tổ hợp lựa chọn .54 3.4 CÁC KẾT QUẢ BẰNG SỐ LIỆU VÀ SO SÁNH 56 3.4.1.Trường hợp tính lặp 56 3.4.2 Trường hợp sử dụng phân tập MRC 60 KẾT LUẬN .77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 80 ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN 82 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Từ viết tắt PLMR Tiếng anh Public Land Mobile Radio Switched Tiếng việt Mạng vô tuyến mặt đất công cộng Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch PSTN Public ISDN Network Integrated BER FDMA TDMA CDMA CT CEPT Network Bit Error Rate Frequency Division Mutiple Time Division Mutiple Code Division Mutiple Cordless Telecommunication Conference of Eropen on Post Tỉ lệ lỗi bit Đa truy nhập theo tần số Đa truy nhập theo thời gian Đa truy nhập theo mã Viễn thông không dây Hội bưu viễn thông Châu GSM and Telecommunication Groupe Special Mobile  Hệ thống thông tin di động toàn HDCSD cầu High Speed Circuit Switched Số liệu chuyển mạch kênh tốc GPRS SMS SIM BSS MSC HLR AUC EIR VLR Data General Packet Radio Service Short Message Service Subscriber Identity Module Base Station Systerm Mobile Switching Centre Home Location Register Authentication Centre Equipment Identity Register Visistor Location Register Services công cộng Digital Mạng đa dịch số vi độ cao Dịch vụ vô tuyến gói đa Dịch vụ tin ngắn Thuê bao Hệ thống trạm gốc Tổng đàu thông tin di động Bộ ghi định vị thường trú Trung tâm nhận thực Bộ ghi số nhận diện thiết bị Bộ ghi định vị tạm trú DANG MỤC CÁC HÌNH Số hình Tên hình Trang Hình 1.1 Sơ đồ khối tuyến TDMA Hình 1.2 Cấu trúc tín hiệu khung TDMA 10 Hình 1.3 Cấu trúc tổ ong mạng vô tuyến tế bào 14 Hình 1.4 Cấu trúc mạng GSM 18 Hình 2.1 Các lại fading mạng GSM 26 Hình 2.2 Mô tả kênh fading phẳng 28 Hình 2.3 Kênh fading chọn lọc tần số 30 vii Hình 2.4 Mô hình phản xạ truyền dẫn phân tập đa đường 30 Hình 2.5 Mô tả phân tập theo tần số tín hiệu 31 Hình 2.6 Mô hình tổng quát truyền dẫn phân tập đa đường 32 Hình 2.7 Mô tả đáp ứng xung kênh 33 Hình 2.8 Mô tả hàm truyền đạt kênh 33 Hình 2.9 Hàm truyền đạt kênh 34 Hình Hàm truyền đạt kênh 35 2.10 Hình Mật độ phổ tín hiệu thu 36 2.11 Hình Đáp ứng xung kênh phụ thuộc thời gian 37 2.12 Hình Hàm tự tương quan thời gian kênh so sánh với 38 2.13 bề rộng độ ổn định thời gian kênh Hình Mô hình kênh tuyến tính 40 2.14 Hình Các biện pháp chống fading tác dụng 41 2.15 Hình Bộ cân ngang có 2M+1 nhánh 42 2.16 Hình Mô tả cân miền tần số 45 2.17 Hình Mô tả cân độ dốc độ lõm đặc tuyến tần số 45 2.18 viii Hình Mô hình phân tập không gian đơn giản 47 2.19 Hình Mô hình phân tập tần số 47 2.20 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn 50 Hình 3.2 Đồ thị dung lượng trung bình đơn vị băng thông 59 kênh fading Rayleigh kênh AWGN theo CRN trung bình trường hợp tính lặp Hình 3.3 Đồ thị xác suất ngừng hoạt động kênh fading 61 trường hợp không lặp Hình 3.4 Đồ thị dung lượng kênh fading đơn vị băng thông 63 kênh fading Rayleigh sử dụng phân tập MRC theo CRN trung bình với M=1 Hình 3.5 Đồ thị dung lượng kênh fading đơn vị băng thông 65 kênh fading Rayleigh sử dụng phân tập MRC theo CRN trung bình với M=2 Hình 3.6 Xác suất ngừng hoạt động kênh fading sử dụng tổ hợp 67 MRC với M=2 Hình 3.7 Dung lượng kênh fading đơn vị băng thông kênh 69 fading Rayleigh sử dụng phân tập MRC theo CNR trung bình với M=4 Hình 3.8 Dung lượng kênh fading đơn vị băng thông kênh 71 fading Rayleigh sử dụng phân tập MRC theo CNR trung bình với M=1, M=2, M=4 Hình 3.9 Dung lượng trung bình đơn vị băng thông kênh 73 fading Rayleigh kênh AWGN theo CNR trung bình ix trường hợp sử dụng phân tập M=1 Hình Dung lượng trung bình đơn vị băng thông kênh 75 3.10 fading Rayleigh kênh AWGN theo CNR trung bình Hình trường hợp sử dụng phân tập M=2 Dung lượng trung bình đơn vị băng thông kênh 77 3.11 fading Rayleigh kênh AWGN theo CNR trung bình Hình trường hợp sử dụng phân tập M=4 Dung lượng trung bình đơn vị băng thông kênh 79 3.12 fading Rayleigh kênh AWGN theo CNR trung bình trường hợp sử dụng phân tập SC với M=1, M=2, M=4 x băng thông C/B (b/s/Hz) Dung lượng kênh đơn vị Dung lượng kênh sử dụng phân tập MRC CNR trung bình nhánh Hình 3.8: Dung lượng kênh fading đơn vị băng thông kênh fading Rayleigh sử dụng phân tập MRC theo CNR trung bình với M = 1, M = M = Từ đồ thị ta thấy M tăng lên dung lượng kênh fading AWGN tăng nhiên lượng lại tăng không Với M = dung lượng kênh fading tăng nhanh có lượng xấp xỉ kênh AWGN Như sử dụng phân tập MRC trường hợp M = cho kết tốt 3.4.3 Trường hợp sử dụng phân tập SC Trong trường hợp phân tập SC C sc opra B C sc opra B tính theo công thức: M −1 E1 ( + k ) / γ k M − 1 = M log ( e ) ∑ ( −1) ÷.e ( k + 1) / γ 1+ k k =0 k Nó tương đương với khai triển xấp xỉ: 68 (3.33) C sc opra B M −1 = M log ( e ) ∑ k =0 ( −1) k +1 M − 1 1+ k 1+ k ÷.e ( k + 1) / γ E + ln ÷− 1+ k k γ γ (3.34) Và theo dung lượng kênh AWGN tính theo: C sc opra B M =log 1 +∑ γ÷ n= n (3.35) Trường hợp với M = Từ công thức tính ta có bảng số liệu sau: γ mrc Caw gn 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 1.3 1.4 1.6 1.87 2.2 2.6 2.8 3.18 3.46 3.74 4.09 4.5 4.7 5.3 5.6 6.3 6.6 7.2 7.6 8.31 8.65 9.28 9.63 sc Caw gn B 1.3 1.41 1.58 1.83 1.94 2.1 2.16 2.85 2.91 3.2 3.4 3.71 4.4 4.61 4.92 5.2 5.47 5.9 6.2 6.58 6.89 7.16 7.5 7.78 8.14 8.54 8.75 69 B 30 10 9.15 Đồ thị là: băng thông C/B (b/s/Hz) Dung lượng đơn vị Dung lượng kênh sử dụng phân tập SC CNR thu trung bình nhánh Hình 3.9: Dung lượng trung bình đơn vị băng thông kênh fading Rayleigh kênh AWGN theo CNR trung bình Trong trường hợp sử dụng phân tập M = Với kết thu ta nhận thấy với hợp phân tập với M = hoàn toàn giống với trường hợp tính lặp Trường hợp M = ta có bảng số liệu sau : γ mrc Caw gn 1.5 1.7 2.25 2.48 2.75 3.1 3.32 sc Copa B B 1.37 1.61 1.75 2.07 2.3 2.5 2.8 3.12 70 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 3.65 4.35 4.7 5.25 5.6 5.8 6.22 6.6 6.8 7.2 7.5 7.8 8.16 8.6 8.9 9.25 9.53 9.85 10.17 10.48 3.35 3.62 4.32 4.68 4.95 5.21 5.5 5.75 6.2 6.5 6.7 7.16 7.4 7.72 8.1 8.48 8.81 9.23 9.47 9.8 10.13 Đồ thị tương ứng là: Dung lượng kênh sử dụng phân tập SC 71 băng thông C/B (b/s/Hz) Dung lượng đơn vị CNR thu trung bình nhánh Hình 3.10: Dung lượng trung bình đơn vị băng thông kênh fading Rayleigh kênh AWGN theo CNR trung bình Trong trường hợp sử dụng phân tập M = sc Từ đồ thị ta thấy dung lượng kênh Copa tăng lên so với M = 1, B đường biểu diễn tiến đến gần đường biểu diễn đường biểu diễn kênh AWGN Trường hợp M = Bảng số liệu: γ mrc Caw gn 10 11 1.87 2.14 2.34 2.65 2.96 3.22 3.5 3.81 4.12 4.5 4.75 sc Copa B B 1.07 2.16 2.48 2.75 3.1 3.35 3.63 4.23 4.6 72 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 5.1 5.43 5.68 6.1 6.4 6.75 7.1 7.25 7.75 8.1 8.32 8.74 9.1 9.3 9.7 10.1 10.32 10.64 11.2 4.85 5.2 5.48 5.62 6.18 6.5 6.75 7.12 7.43 7.78 8.24 8.48 8.83 9.17 9.42 9.8 10.23 10.41 10.7 Đồ thị thu là: băng thông C/B (b/s/Hz) Dung lượng đơn vị Dung lượng kênh sử dụng phân tập SC CNR thu trung bình nhánh 73 Hình 3.11 Dung lượng trung bình đơn vị băng thông kênh fading Rayleigh kênh AWGN theo CNR trung bình trường hợp sử dụng phân tập M = Từ đồ thị nhận thấy dung lượng kênh fading tăng lên nhanh so với trường hợp M = 2, đường biểu diễn tiến tới gần đường biểu diễn dung lượng kênh AWGN (đường nết đứt) Tập hợp bảng số liệu ta có bảng số liệu tổng hợp sau: M=2 M=1 M=4 γ C 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 mrc awgn 1.3 1.4 1.6 1.87 2.2 2.6 2.8 3.18 3.46 3.74 4.09 4.5 4.7 5.3 5.6 6.3 6.6 7.2 7.6 C B sc opa C B 1.3 1.41 1.58 1.83 1.94 2.1 2.16 2.85 2.91 3.2 3.4 3.71 4.4 4.61 4.92 5.2 5.47 5.9 6.2 6.58 6.89 7.16 mrc awgn C B 1.5 1.7 2.25 2.48 2.75 3.1 3.32 3.65 4.35 4.7 5.25 5.6 5.8 6.22 6.6 6.8 7.2 7.5 7.8 8.16 8.6 sc opa mrc Caw gn B 1.37 1.61 1.75 2.07 2.3 2.5 2.8 3.12 3.35 3.62 4.32 4.68 4.95 5.21 5.5 5.75 6.2 6.5 6.7 7.16 7.4 7.72 8.1 74 1.87 2.14 2.34 1.65 2.96 3.22 3.5 3.81 4.12 4.5 4.75 5.1 5.43 5.68 6.1 6.4 6.75 7.1 7.25 7.75 8.1 8.32 8.74 9.1 B sc Copa B 1.7 2.16 2.48 2.75 3.1 3.35 3.63 4.23 4.6 4.85 5.2 5.48 5.62 6.18 6.5 6.75 7.12 7.43 7.78 8.24 8.48 8.83 25 26 27 28 29 30 8.31 8.65 9.28 9.63 10 7.5 7.78 8.14 8.54 8.75 9.15 8.9 9.25 9.53 9.85 10.17 10.48 8.48 8.81 9.23 9.47 9.8 10.13 9.3 9.7 10.1 10.32 10.64 11.2 9.17 9.42 9.8 10.23 10.41 10.7 C/B (b/s/Hz) Dung lượng đơn vị băng thông Từ bảng số liệu ta có đồ thị sau: Dung lượng kênh sử dụng phân tập SC CNR thu trung bình nhánh Hình 3.12 Dung lượng trung bình đơn vị băng thông kênh fading Rayleigh kênh AWGN theo CNR trung bình Trong trường hợp sử dụng phân tập SC với M = 1, M = 2, M = Đồ thị tổng hợp kết trường hợp Từ thấy sc M tăng lên khoảng cách hai đường biểu diễn Copa B mrc Cawgn B gần, tức dung lượng kênh fading cải thiện so với dung lượng kênh AWGN, điều thấy rõ M tăng lên Nhận xét chung : 75 Sau nghiên cứu xem xét phương pháp thích nghi tốc độ phương pháp phát xạ tối ưu, so sánh kết đạt với kênh AWGN đến kết luận sau: -Dung lượng kênh truyền chịu tác động fading nhỏ dung lượng kênh AWGN điều kiện nghiên cứu -Khi sử dụng biện pháp phân tập dung lượng kênh cải thiện nhiên vượt qua dung lượng kênh AWGN, nhiên giá trị M tăng dung lượng kênh tiến tới dung lượng -So sánh cải thiện dung lượng kênh trường hợp phân tập MRC SC điều kiện thấy sử dụng MRC cho kết tốt Như chịu tác động fading kênh truyền có dung lượng nhỏ đi, nhiên ta sử dụng kỹ thuật phân tập làm cho dung lượng kênh truyền chịu ảnh hưởng fading cải thiện đáng kể, dù vượt qua dung lượng kênh AWGN 76 KẾT LUẬN Sau tìm hiểu hoàn thiện đề tài tốt nghiệp “ Nghiên cứu fading biện pháp chống fading mạng thông tin di động’’, em nắm bắt nhiều điều bổ ích Đặc biệt em hiểu rõ fading thông tin vô tuyến nói chung fading mạng GSM nói riêng, từ em nắm bắt phương pháp chống fading áp dụng mạng GSM nhằm mục đích góp phần đảm bảo chất lượng thông tin cách tốt trình truyền dẫn thông tin từ máy phát đến máy thu Quá trình nghiên cứu đồ án tốt nghiệp, em rút nhiều kinh nghiệm khả nghiên cứu độc lập, khả tham khảo tài liệu, cách đặt vấn đề giải vấn đề cụ thể, từ giúp em dần hoàn thiện kiến thức thân Đây kiến thức bổ ích, hành trang cho em sau trường công tác Mặc dù dã cố gắng hiểu biết thời gian thực đồ án có hạn nên đồ án em có nhiều hạn chế thiếu xót Vì em xin chân thành nhận nhận xét góp ý Thầy giáo, Cô giáo toàn thể bạn sinh viên khoa Điện – điện tử để đồ án tôt nghiệp em hoàn thiện Cuối em xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Phạm Văn Phước tận tình giúp đỡ em để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn ! 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO Thứ tự Tên sách Tên tác giả Tổng quan thông tin di động – hệ Pts Nguyễn Quốc Bình thống điện thoại di động GSM Kỹ thuật truyền đẫn số (Hà nội – 1997) Pts Nguyễn Quốc Bình (Hà nội – 2000) Ts Nguyễn Phạm Anh Giáo trình thông tin di động Dũng NXB Bưu viễn Phase Precoding for thông 2003 Frequence- W Vincent Huang – selective Department of Applied Rayleigh anh Rician Slowly Fading Electronic channel Chalmers University of Technology Của tác giả: Thông tin Di Động Ts Trần Hồng Quân Pgs.Ts Nguyễn Bích Lân, Công 78 Ks Lê Xuân Ks Phạm Hồng Ký “Digital Communication Over Fading Marvin K Simon Mohamed – Slim Channels” Alouini 79 NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Tinh thần thái độ, cố gắng sinh viên trình thực Đồ án/khóa luận: Đánh giá chất lượng Đồ án/khóa luận tốt nghiệp (so với nội dung yêu cầu đề mặt: lý luận, thực tiễn, chất lượng thuyết minh vẽ): 80 Chấm điểm giảng viên hướng dẫn (Điểm ghi số chữ) Hải Phòng, ngày tháng năm 20 Giảng viên hướng dẫn 81 ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN Đánh giá chất lượng Đồ án/khóa luận tốt nghiệp mặt: thu thập phân tích số liệu ban đầu, sở lý thuyết, vận dụng vào điều kiện cụ thể, chất lượng thuyết minh vẽ, mô hình (nếu có) …: Chấm điểm người phản biện (Điểm ghi số chữ) Hải Phòng, ngày tháng năm 20 Người phản biện 82