Mô hình kênh cho mạng di động không dây AD HOC

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 LỜI CAM ðOAN Tơi xin cam đoan Luận Văn Thạc sỹ Khoa học nghiên cứu thực hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn ðức Các kết tham khảo từ nguồn tài liệu cơng trình nghiên cứu khoa học khác trích dẫn đầy đủ Nếu có sai phạm quyền (trích dẫn thiếu sai), tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm trước nhà trường Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Lê Thắng Lợi TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn nghiên cứu vấn ñề liên quan ñến kênh truyền, phương pháp mô hình kênh vơ tuyến mạng Ad hoc nói chung mạng Vanet nói riêng Luận văn bao gồm năm chương với nội dung sau : Chương 1: • Tìm hiểu đặc tính kênh vơ tuyến mạng Vanet • ðặc điểm truyền sóng, suy hao trễ đường truyền sóng • ðặc ñiểm kênh truyền Car-to-infrastructure Car-to-Car • Trễ truyền sóng hiệu ứng Doppler kênh truyền Chương 2: • Giới thiệu mơ hình phân bố kênh • Các phương pháp mơ hình kênh MTM (Mobile-to-Mobile) trường hợp Rayleigh Fading Rician Fading Chương 3: • Giới thiệu hệ thống DSRC/WAVE chuẩn áp dụng giới • Tìm hiểu chuẩn IEEE 802.11p Mỹ, áp dụng cho hệ thống DSRC/WAVE Chương 4: • Sử dụng chương trình Matlab để mơ phỏng, tính tốn số yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền hàm công suất trễ, hàm tự tương quan thời gian, hiệu ứng doppler Chương 4: • Kết luận hướng phát triển MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MỞ ðẦU 10 CHƯƠNG I KÊNH VÔ TUYẾN TRONG MẠNG VANET 1.1 ðặc điểm địa hình truyền dẫn 11 1.1.1 ðặc ñiểm truyền sóng 11 1.2 Hiện tượng Fading 15 1.2.1 Small-scale fading: 17 1.3 Suy hao đường truyền sóng 18 1.3.1 Mơ hình suy giảm free space 18 1.3.2 Mơ hình suy giảm log-normal 19 1.4 ðặc ñiểm kênh truyền Car-to-infrastructure mạng Vanet 21 1.4.1 Trễ Truyền Dẫn 21 1.4.1.1 ðịnh nghĩa 21 1.4.1.2 Hàm công suất trễ kênh 23 1.4.2 Hiệu ứng doppler kênh Car-to-infrastructure 25 1.4.2.1 ðịnh nghĩa 25 1.4.2.2 Phổ Doppler 26 1.5 ðặc ñiểm kênh truyền Car-to-car mạng Vanet 27 1.5.1 Ảnh hưởng truyền ñẫn ña ñường 27 1.5.1.1 Cường ñộ trường thu ñược kênh car-to-car 27 1.5.1.2 Hàm mật ñộ phân bố xác suất tín hiệu thu 29 1.5.2 Hiệu ứng Doppler kênh Car-to-car 31 1.5.2.1 ðịnh nghĩa 31 1.5.2.2 Phổ Doppler 31 CHƯƠNG II MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA KÊNH MTM 2.1 Mơ hình phân bố kênh 34 2.1.1 Kênh theo phân bố Rayleigh 34 2.1.2 Kênh theo phân bố Rician 35 2.1.3 Kênh theo phân bố Lognormal 36 2.2 Mơ hình kênh MTM 38 2.2.1 Mơ hình kênh MTM Rayleigh Fading 38 2.2.1.1 Mơ hình tham chiếu AKKI HABER 38 2.2.1.2 Mơ hình SoS cho kênh MTM 40 2.2.1.2.1 MTM_Mơ hình 41 2.2.1.2.2 MTM_Mơ hình 42 2.2.1.3 Mô hình SoS cho kênh MTM 43 2.2.2 Mơ hình kênh MTM Rician Fading 46 2.2.2.1 Mơ hình Double-Ring với thành phần LOS 46 2.2.2.2 Mơ hình thống kê bậc hai 49 CHƯƠNG III KIẾN TRÚC LỚP VẬT LÝ CỦA MẠNG VANET 3.1 Giới thiệu hệ thống DSRC/WAVE 51 3.2 Chuẩn IEEE 802.11p 54 3.2.1 Giải băng tần phân phối kênh 56 3.2.2 Mô tả lớp vật lý 56 3.2.3 ðịnh dạng gói tin 58 3.3 Cấu trúc hệ thống thu phát 59 3.3.1 Cấu trúc bên phát 59 3.3.2 Cấu trúc bên thu 59 CHƯƠNG IV MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TỐN 4.1 Kết hình mơ phỏng, tính tốn 61 4.2 Chương trình Matlab 66 4.2.1 Hàm công suất trễ 66 4.2.2 Hàm tính phổ doppler kênh Base-to-mobile (BTM) 68 4.2.3 Hàm tính phổ doppler kênh Mobile-to-mobile (MTM) 69 4.2.4 Chương trình tính hàm tự tương quan thời gian kênh BTM 70 4.2.5 Chương trình tính hàm tự tương quan thời gian kênh MTM 71 CHƯƠNG V KẾT LUẬN 5.1 Kết luận 72 5.2 Hướng phát triển ñề tài 72 CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: ðường truyền LOS & NLOS 13 Hình 1.2: Hiện tượng Phản xạ (R), nhiễu xạ (D), tán xạ (S) 14 Hình 1.3: Mơ hình truyền dẫn phân tập ña ñường 16 Hình 1.4 : Các loại fading kênh thơng tin vơ tuyến 17 Hình 1.5: Small-Scale Fading 17 Hình 1.6: Hiện tượng Shawding 20 Hình 1.7: Trải trễ 21 Hình 1.8: RMS Delay Spread Mean Excess Delay 22 Hình 1.9: Power delay profile 24 Hình 1.10: Gaussian power delay profile 24 Hình 1.11: Hiệu ứng doppler kênh BTM 25 Hình 1.12: Phổ Doppler kênh BTM 26 Hình 1.13: Truyền dẫn car-to-car với thành phần LoS 27 Hình 1.14: Phổ Doppler cho kênh M2M với giá trị α 33 Hình 2.1: Kênh theo phân bố Rayleigh Rician 36 Hình 2.2: Phân bố Lognormal 37 Hình 2.3: Hàm tự tương quan kênh MTM 39 Hình 2.4: Kiểu truyền nan sóng kênh MTM 40 Hình 2.5: Kênh MTM Rayleigh Fading 41 Hình 2.6: Vận tốc thay v3 tham chiếu từ v1 v2 46 Hình 2.7: Kênh MTM Rician Fading 48 Hình 2.8: Phần thực hàm tự tương quan 50 Hình 3.1: Phân chia tần số DSRC 52 Hình 3.2: Chuẩn DSRC giới 53 Hình 3.3: So sánh DSRC với hệ thống khác 54 Hình 3.4: DSRC/WAVE mơ hình lớp giao thức OSI 55 Hình 3.5: Phân phối kênh DSRC theo chuẩn IEEE 802.11p 56 Hình 3.6: ðặc tả thông số kỹ thuật 56 Hình 3.7: Cấu trúc kênh 10Mhz theo chuẩn IEEE 802.11p 57 Hình 3.8: So sánh lớp vật lý IEEE 802.11p IEEE 802.11a 57 Hình 3.9: ðịnh dạng gói tin IEEE 802.11p 58 Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc hệ thống phát 59 Hình 3.11: Sơ ñồ cấu trúc hệ thống thu 60 Hình 4.1: Trễ truyền dẫn địa hình thành phố 61 Hình 4.2: Trễ truyền dẫn địa hình đồi núi 62 Hình 4.3: Phổ Doppler kênh Base-to-mobile (BTM) 63 Hình 4.4: Phổ Doppler kênh Mobile-to-mobile (MTM) 63 Hình 4.5: Phổ Doppler kênh Mobile-to-mobile (MTM) 64 Hình 4.6: Phổ Doppler kênh Mobile-to-mobile (MTM) 64 Hình 4.7: Hàm tự tương quan kênh Base-to-mobile (BTM) 65 Hình 4.8: Hàm tự tương quan kênh Mobile-to-mobile (MTM) 65 CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ Viết Tắt Tiếng Anh Tiếng Việt C2I Car-to-infrastructure Xe-tới-Cơ sở hạ tầng C2C Car-to-Car Xe-tới-Xe MTM Mobile-to-Mobile Di ñộng-tơi-Di ñộng DSRC/WAVE Dedicated short range Hệ thống truyền thông communication/ chuyên dụng phạm vi Wireless Access in a Vehicular hẹp/Truy cập mạng không Environment dây môi trường xe cộ LOS Line-of-sight path Tuyến tầm nhìn thẳng NLOS Non-Line-of-sight path Tuyến ngồi tầm nhìn thẳng VANET Vehicular Ad-hoc Network Mạng xe cộ BTM Base-to-mobile Cơ sở-tới-Di ñộng MTM Mobile-to-mobile Di ñộng-tới-Di ñộng DPSD Doppler power spectral density Mật ñộ phổ công suất Doppler PDF Probability density function Hàm phân bố xác suất SoS Sum-of-sinusoids Tổng hình sin VBS Virtualbase-stations Trạm sở ảo ETSI-EN European Telecommunications Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Standards Institute - European châu Âu - Ủy ban châu Âu Committee for Standardization Tiêu chuẩn hoá ASTM American Society for Testing and Materials - Institute of Electrical and Electronics Engineers Hiệp hội Kiểm nghiệm Vật liệu - Viện Kỹ sư ðiện ðiện tử ARIB-STD Association of Radio Industries Hiệp hội ngành công nghiệp and Businesses - Standard vô tuyến tiêu chuẩn thương mại SISO Single-input single-output Hệ thống ñầu vào ñầu MIMO Multiple-input multiple-output Hệ thống nhiều ñầu vào nhiều ñầu Ham tu tuong quan φ (τ) 0.8 0.6 φ(τ) 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 Hình 4.7: Hàm tự tương quan kênh Base-to-mobile (BTM) Với tần số sóng mang fc = 900 MHz , Vận tốc máy thu = 100 Km/h Ham tu tuong quan thoi gian cua kenh MTM φ (τ) φ(τ) -1 -2 tau -3 x 10 Hình 4.8: Hàm tự tương quan kênh Mobile-to-mobile (MTM) Với tần số sóng mang fc = 900 MHz , Vận tốc máy thu = 100 Km/h 65 4.2 Chương trình Matlab 4.2.1 Hàm cơng suất trễ 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); % Tính 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 Hàm tính phổ doppler kênh 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)