Mô hình kênh cho mạng di động không dây AD HOC

bộ giáo dục đào tạo trờng đại học bách khoa hà nội -XW - LÊ THắNG LợI MÔ HìNH KÊNH CHO MạNG DI Động không dây Ad hoc NGàNH: kỹ thuật ĐIệN Tử LUậN VĂN THạC Sỹ KHOA HọC ngời hớng dẫn: PGS.TS NGUYễN VĂN ĐứC Hà Nội - 2010 LI CAM OAN Tụi xin cam ủoan Lun Vn Thc s Khoa hc ny l tụi nghiờn cu v thc hin di s hng dn ca PGS.TS Nguyn Vn c Cỏc kt qu tham kho t cỏc ngun ti liu cng nh cỏc cụng trỡnh nghiờn cu khoa hc khỏc ủc trớch dn ủy ủ Nu cú gỡ sai phm v bn quyn (trớch dn thiu hoc sai), tụi xin hon ton chu trỏch nhim trc nh trng H Ni, thỏng 10 nm 2010 Lờ Thng Li TểM TT LUN VN Lun nghiờn cu cỏc ủ liờn quan ủn kờnh truyn, cỏc phng phỏp mụ hỡnh kờnh vụ tuyn mng Ad hoc núi chung v mng Vanet núi riờng Lun bao gm nm chng vi cỏc ni dung nh sau : Chng 1: Tỡm hiu v cỏc ủc tớnh ca kờnh vụ tuyn mng Vanet c ủim v truyn súng, suy hao v tr trờn ủng truyn súng c ủim v kờnh truyn Car-to-infrastructure v Car-to-Car Tr truyn súng v hiu ng Doppler kờnh truyn Chng 2: Gii thiu cỏc mụ hỡnh phõn b ca kờnh Cỏc phng phỏp mụ hỡnh kờnh MTM (Mobile-to-Mobile) trng hp Rayleigh Fading v Rician Fading Chng 3: Gii thiu h thng DSRC/WAVE v cỏc chun ỏp dng trờn th gii Tỡm hiu v chun IEEE 802.11p ca M, ỏp dng cho h thng DSRC/WAVE Chng 4: S dng chng trỡnh Matlab ủ mụ phng, tớnh toỏn mt s yu t nh hng ủn kờnh truyn nh hm cụng sut tr, hm t tng quan thi gian, hiu ng doppler Chng 4: Kt lun v hng phỏt trin MC LC LI CAM OAN TểM TT LUN VN MC LC CC T VIT TT M U 10 CHNG I KấNH Vễ TUYN TRONG MNG VANET 1.1 c ủim hỡnh truyn dn 11 1.1.1 c ủim truyn súng 11 1.2 Hin tng Fading 15 1.2.1 Small-scale fading: 17 1.3 Suy hao trờn ủng truyn súng 18 1.3.1 Mụ hỡnh suy gim free space 18 1.3.2 Mụ hỡnh suy gim log-normal 19 1.4 c ủim kờnh truyn Car-to-infrastructure mng Vanet 21 1.4.1 Tr Truyn Dn 21 1.4.1.1 nh ngha 21 1.4.1.2 Hm cụng sut tr ca kờnh 23 1.4.2 Hiu ng doppler kờnh Car-to-infrastructure 25 1.4.2.1 nh ngha 25 1.4.2.2 Ph Doppler 26 1.5 c ủim kờnh truyn Car-to-car mng Vanet 27 1.5.1 nh hng ca truyn ủn ủng 27 1.5.1.1 Cng ủ trng thu ủc kờnh car-to-car 27 1.5.1.2 Hm mt ủ phõn b xỏc sut ca tớn hiu thu 29 1.5.2 Hiu ng Doppler kờnh Car-to-car 31 1.5.2.1 nh ngha 31 1.5.2.2 Ph Doppler 31 CHNG II Mễ HèNH TON HC CA KấNH MTM 2.1 Mụ hỡnh phõn b ca kờnh 34 2.1.1 Kờnh theo phõn b Rayleigh 34 2.1.2 Kờnh theo phõn b Rician 35 2.1.3 Kờnh theo phõn b Lognormal 36 2.2 Mụ hỡnh kờnh MTM 38 2.2.1 Mụ hỡnh kờnh MTM ủi vi Rayleigh Fading 38 2.2.1.1 Mụ hỡnh tham chiu AKKI v HABER 38 2.2.1.2 Mụ hỡnh SoS hin cho kờnh MTM 40 2.2.1.2.1 MTM_Mụ hỡnh 41 2.2.1.2.2 MTM_Mụ hỡnh 42 2.2.1.3 Mụ hỡnh SoS mi cho kờnh MTM 43 2.2.2 Mụ hỡnh kờnh MTM ủi vi Rician Fading 46 2.2.2.1 Mụ hỡnh Double-Ring cựng vi thnh phn LOS 46 2.2.2.2 Mụ hỡnh thng kờ bc hai 49 CHNG III KIN TRC LP VT Lí CA MNG VANET 3.1 Gii thiu h thng DSRC/WAVE 51 3.2 Chun IEEE 802.11p 54 3.2.1 Gii bng tn v phõn phi kờnh 56 3.2.2 Mụ t lp vt lý 56 3.2.3 nh dng gúi tin 58 3.3 Cu trỳc h thng thu phỏt 59 3.3.1 Cu trỳc bờn phỏt 59 3.3.2 Cu trỳc bờn thu 59 CHNG IV MT S KT QU Mễ PHNG V TNH TON 4.1 Kt qu hỡnh mụ phng, tớnh toỏn 61 4.2 Chng trỡnh Matlab 66 4.2.1 Hm cụng sut tr 66 4.2.2 Hm tớnh ph doppler kờnh Base-to-mobile (BTM) 68 4.2.3 Hm tớnh ph doppler kờnh Mobile-to-mobile (MTM) 69 4.2.4 Chng trỡnh tớnh hm t tng quan thi gian kờnh BTM 70 4.2.5 Chng trỡnh tớnh hm t tng quan thi gian kờnh MTM 71 CHNG V KT LUN 5.1 Kt lun 72 5.2 Hng phỏt trin ca ủ ti 72 CC TI LIU THAM KHO 74 DANH SCH HèNH V Hỡnh 1.1: ng truyn LOS & NLOS 13 Hỡnh 1.2: Hin tng Phn x (R), nhiu x (D), tỏn x (S) 14 Hỡnh 1.3: Mụ hỡnh truyn dn phõn ủng 16 Hỡnh 1.4 : Cỏc loi fading kờnh thụng tin vụ tuyn 17 Hỡnh 1.5: Small-Scale Fading 17 Hỡnh 1.6: Hin tng Shawding 20 Hỡnh 1.7: Tri tr 21 Hỡnh 1.8: RMS Delay Spread v Mean Excess Delay 22 Hỡnh 1.9: Power delay profile 24 Hỡnh 1.10: Gaussian power delay profile 24 Hỡnh 1.11: Hiu ng doppler kờnh BTM 25 Hỡnh 1.12: Ph Doppler kờnh BTM 26 Hỡnh 1.13: Truyn dn car-to-car vi thnh phn LoS 27 Hỡnh 1.14: Ph Doppler cho kờnh M2M vi cỏc giỏ tr ca 33 Hỡnh 2.1: Kờnh theo phõn b Rayleigh v Rician 36 Hỡnh 2.2: Phõn b Lognormal 37 Hỡnh 2.3: Hm t tng quan kờnh MTM 39 Hỡnh 2.4: Kiu truyn nan súng kờnh MTM 40 Hỡnh 2.5: Kờnh MTM ủi vi Rayleigh Fading 41 Hỡnh 2.6: Vn tc thay th v3 tham chiu t v1 v v2 46 Hỡnh 2.7: Kờnh MTM ủi vi Rician Fading 48 Hỡnh 2.8: Phn thc ca hm t tng quan 50 Hỡnh 3.1: Phõn chia tn s ca DSRC 52 Hỡnh 3.2: Chun DSRC trờn th gii 53 Hỡnh 3.3: So sỏnh DSRC vi cỏc h thng khỏc 54 Hỡnh 3.4: DSRC/WAVE v mụ hỡnh lp giao thc OSI 55 Hỡnh 3.5: Phõn phi kờnh DSRC theo chun IEEE 802.11p 56 Hỡnh 3.6: c t cỏc thụng s k thut 56 Hỡnh 3.7: Cu trỳc kờnh 10Mhz theo chun IEEE 802.11p 57 Hỡnh 3.8: So sỏnh lp vt lý gia IEEE 802.11p v IEEE 802.11a 57 Hỡnh 3.9: nh dng gúi tin IEEE 802.11p 58 Hỡnh 3.10: S ủ cu trỳc h thng phỏt 59 Hỡnh 3.11: S ủ cu trỳc h thng thu 60 Hỡnh 4.1: Tr truyn dn hỡnh thnh ph 61 Hỡnh 4.2: Tr truyn dn hỡnh ủi nỳi 62 Hỡnh 4.3: Ph Doppler kờnh Base-to-mobile (BTM) 63 Hỡnh 4.4: Ph Doppler kờnh Mobile-to-mobile (MTM) 63 Hỡnh 4.5: Ph Doppler kờnh Mobile-to-mobile (MTM) 64 Hỡnh 4.6: Ph Doppler kờnh Mobile-to-mobile (MTM) 64 Hỡnh 4.7: Hm t tng quan ca kờnh Base-to-mobile (BTM) 65 Hỡnh 4.8: Hm t tng quan ca kờnh Mobile-to-mobile (MTM) 65 CC T VIT TT T Vit Tt Ting Anh Ting Vit C2I Car-to-infrastructure Xe-ti-C s h tng C2C Car-to-Car Xe-ti-Xe MTM Mobile-to-Mobile Di ủng-ti-Di ủng DSRC/WAVE Dedicated short range H thng truyn thụng communication/ chuyờn dng phm vi Wireless Access in a Vehicular hp/Truy cp mng khụng Environment dõy mụi trng xe c LOS Line-of-sight path Tuyn tm nhỡn thng NLOS Non-Line-of-sight path Tuyn ngoi tm nhỡn thng VANET Vehicular Ad-hoc Network Mng xe c BTM Base-to-mobile C s-ti-Di ủng MTM Mobile-to-mobile Di ủng-ti-Di ủng DPSD Doppler power spectral density Mt ủ ph cụng sut Doppler PDF Probability density function Hm phõn b xỏc sut SoS Sum-of-sinusoids Tng cỏc hỡnh sin VBS Virtualbase-stations Trm c s o ETSI-EN European Telecommunications Vin Tiờu chun Vin thụng Standards Institute - European chõu u - y ban chõu u Committee for Standardization v Tiờu chun hoỏ ASTM American Society for Testing and Materials - Institute of Electrical and Electronics Engineers Hip hi Kim nghim v Vt liu - Vin K s in v in t ARIB-STD Association of Radio Industries Hip hi ngnh cụng nghip and Businesses - Standard vụ tuyn v tiờu chun thng mi SISO Single-input single-output H thng mt ủu vo mt ủu MIMO Multiple-input multiple-output H thng nhiu ủu vo nhiu ủu Ham tu tuong quan () 0.8 0.6 () 0.4 0.2 -0.2 -0.4 0.01 0.02 0.03 0.04 tau 0.05 0.06 0.07 0.08 Hỡnh 4.7: Hm t tng quan ca kờnh Base-to-mobile (BTM) Vi tn s súng mang fc = 900 MHz , Vn tc mỏy thu = 100 Km/h Ham tu tuong quan thoi gian cua kenh MTM () () -1 -2 tau -3 x 10 Hỡnh 4.8: Hm t tng quan ca kờnh Mobile-to-mobile (MTM) Vi tn s súng mang fc = 900 MHz , Vn tc mỏy thu = 100 Km/h 65 4.2 Chng trỡnh Matlab 4.2.1 Hm cụng sut tr function [Pwr,tau,sigma2,alpha2,alpha,W] = delay(area,L,M); % Tre truyen dan cac dia hinh khac % L = So luong tap (6 to 32) M=2000 area = input('Nhap loai dia hinh (1 or 2): '); L=input('Vao so luong taps (6 to 32) : '); N = L-1; s = 12; randn('seed',s+2); rand('seed',s+2); if area == % Tre truyen dan dia hinh for c=0:1:N t1 = 0; t2 = 7; tau(c+1) = (t1 + (t2-t1))*(c/N); % Voi dia hinh pho: tau = (1>7)microsec end W = (randn(M,L) + i* randn(M,L))./sqrt(2); K= round(rand(1,L)); Pwr = exp(-tau); Pwr_dB = 10*log10(Pwr); figure;plot(tau,Pwr_dB); xlabel('Do tre (microseconds)'); ylabel('Cong suat (dB)'); title('Tre truyen dan dia hinh pho'); axis([0 -30 0]) %Tong cong suat tre tai moi tap, P = alpha^2 + 2sigma^2 % Voi sigma = variance % Ti le cong saut, K = alpha^2/2sigma^2 for a=1:L sigma2(:,a) = Pwr(:,a)./(K(:,a)+1); alpha2(:,a) = Pwr(:,a).*[(K(:,a)./(K(:,a)+1))]; alpha(:,a) = sqrt(alpha2(:,a)); end else if area == % Tre truyen dan dia hinh doi nui for tau = 0:2 Pwr(tau+1) = (exp(-3.5*tau)); Pwr_dB(tau+1) = 10*log10(Pwr(tau+1)); 66 end for tau = 15:20 Pwr(tau+1) = (0.1*exp(15-tau)); Pwr_dB(tau+1) = 10*log10(Pwr(tau+1)); end W = (randn(M,L) + j* randn(M,L))./sqrt(2); K = round(rand(1,L)); for c=0:1:N t1 = 0; t2 = 20; tau(c+1) = (t1 + (t2-t1))*(c/N); end Pwr_dB(2:15)=-30; figure;plot(0:20,Pwr_dB) xlabel('Do tre (microseconds)'); ylabel('Cong suat (dB)'); title('Tre truyen dan dia hinh doi nui'); axis([0 20 -30 0]) for a=1:L sigma2(:,a) = Pwr(:,a)./(K(:,a)+1); % Tớnh gia tri bien alpha2(:,a) = Pwr(:,a).*[(K(:,a)./(K(:,a)+1))]; % Tinh hang so cong suat alpha(:,a) = sqrt(alpha2(:,a)); % Tinh cac phan hang so end end end 67 4.2.2 Hm tớnh ph doppler kờnh Base-to-mobile (BTM) function doppler_btm %Pho doppler cho kenh BTM (Base-to-mobile) f_c=900e6; c_0=3e8; v=100e3/3600; f_m=v*f_c/c_0; ohm_p=2; z=-100:1:100; for i=1:201; f=i-101; if abs(f)