Tìm hiểu và mô phỏng hiện tượng fading đa đường trong truyền dẫn không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH HỒNG TRỌNG TÀI TÌM HIỂU VÀ MƠ PHỎNG HIỆN TƯỢNG FADING ĐA ĐƯỜNG TRONG TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGHỆ AN, 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH HOÀNG TRỌNG TÀI TÌM HIỂU VÀ MƠ PHỎNG HIỆN TƯỢNG FADING ĐA ĐƯỜNG TRONG TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Mã ngành: 60.48.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ VĂN MINH NGHỆ AN, 2017 LỜI CẢM ƠN Mọi thành công gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ người xung quanh giúp đỡ hay nhiều, trực tiếp hay gián tiếp Với lòng biết ơn vô sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành từ đáy lòng đến quý thầy, quý cô Khoa Công Nghệ Thông Tin - Trường Đại Học Vinh, dùng tri thức tâm huyết để truyền đạt cho chúng em vốn kiến thức quý báu suốt thời gian học tập trường Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn TS Lê Văn Minh, thầy tận tâm bảo hướng dẫn em qua buổi học, buổi trao đổi, thảo luận đề tài nghiên cứu Nhờ có lời hướng dẫn, dạy bảo đó, luận văn em hoàn thành cách tốt Một lần nữa, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến q thầy Vì thời gian có hạn kiến thức cịn hạn chế nên luận văn em khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận góp ý chân thành thầy bạn bè Cuối em xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè đồng nghiệp, giúp đỡ em trình học tập nghiên cứu thực luận văn Nghệ An, tháng năm 2017 Học viên Hồng Trọng Tài LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình tìm hiểu nghiên cứu tơi, có hỗ trợ thầy hướng dẫn người cảm ơn Các nghiên cứu kết đề tài trung thực chưa công bố Nghệ An, tháng năm 2017 Học viên Hoàng Trọng Tài MỤC LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Chương I - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Hệ thống thông tin vô tuyến 1.2 Truyền sóng thơng tin di động 1.3 Cơ chế lan truyền 1.3.1 Phản xạ 1.3.2 Nhiễu xạ 1.3.3 Tán xạ 1.4 Mơ hình lan truyền khơng gian tự 1.5 Suy hao không gian tự (Free Space Path Loss) 12 1.6 Fading 13 1.7 Hiện tượng Fading đa đường (Multipath Fading) 13 1.8 Dịch tần Doppler 15 1.9 Các thông số kênh đa đường di động 16 1.10 Các loại suy giảm kích thước nhỏ 17 1.10.1 Kênh suy giảm phẳng 18 1.10.2 Kênh suy giảm chọn lọc tần số 19 1.10.3 Kênh suy giảm nhanh 20 1.10.4 Kênh suy giảm chậm 20 1.11 Phân bố Rayleigh Ricean 21 1.11.1 Phân bố Rayleigh 21 1.11.2 Phân bố Ricean 22 1.12 Tổng kết chương 24 Chương II - CÁC MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 25 2.1 Giới thiệu 25 2.2 Mơ hình lan truyền ngồi trời 25 2.2.1 Mô hình Okumura 25 2.2.2 Mơ hình Hata 27 2.2.3 Mơ hình COST 231 28 2.3 Mơ hình lan truyền nhà 28 2.3.1 Suy hao vách ngăn nhà (cùng tầng) 29 2.3.2 Suy hao sàn tầng 30 2.3.3 Mơ hình suy hao theo loga khoảng cách 31 2.3.4 Mơ hình suy hao nhiều điểm gãy Ericsson 33 2.3.5 Mô hình nhân tử suy giảm 34 2.3.6 Thẩm thấu tín hiệu từ máy phát từ ngồi vào tịa nhà 37 2.3.7 Mơ hình Log-distance 39 2.4 Tổng kết chương 40 Chương III - MƠ PHỎNG MỘT SỐ MƠ HÌNH BẰNG MATLAB 41 3.1 Giới thiệu 41 3.2 Mô đo kênh đa đường 41 3.2.1 Mô suy hao không gian tự 41 3.2.2 Mơ suy hao mơ hình Okumura 41 3.2.3 Mô suy hao mơ hình HATA 43 3.2.4 Mơ suy hao mơ hình COST231 45 3.2.5 So sánh hai mơ hình Okumura-Hata COST 231 47 3.3 Tổng kết chương 47 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC 50 CÁC TỪ VIẾT TẮT Nghĩa Tiếng Việt Từ viết tắt Tiếng Anh ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line BPSK Binary Phase Shift Keying EIRP Effective Isotropic Radiated Power ERP Effective Radiated Power FAF Floor Attenuation Factor GMS Global System for Mobile LAN Local Area Network Mạng máy tính cục LOS Line Of Sight Tia có tầm nhìn thẳng OFDM OFDMA Orthogonal frequency - division multiplexing Công nghệ kết nối Internet băng thông rộng Điều chế pha nhị phân Công suất xạ đẳng hướng hiệu dụng Công suất xạ hiệu dụng Thừa số tổn hao tầng Hệ thống thông tin di động tồn cầu Điều chế đa sóng mang Orthogonal Frequency Division Đa truy nhập phân tần trực Multiple Access giao Điều chế biên dộ vuông QAM Quadrature Amplitude Modulator QPSK Quadature Phase Shift Keying Điều chế pha trực giao RF Radio frequency Tần số vô tuyến T-R Transmitter - Receiver góc Khoảng cách máy thu máy phát DANH MỤC HÌNH Tên hình Trang Hình 1.1 – Mơ hình truyền tin Hình 1.2 – Mơ hình hệ thống thơng tin vơ tuyến Hình 1.3 – Tia truyền thẳng Hình 1.4 – Suy giảm Hình 1.5 – Phản xạ Hình 1.6 – Nhiễu xạ Hình 1.7 – Tán xạ Hình 1.8 – Mơ hình miền Fresnel 10 Hình 1.9 – Lan truyền sóng khơng gian tự 10 Hình 1.10 – Mô nguyên nhân gây tượng fading đa đường 14 Hình 1.11 – Mơ hình kênh truyền fading đa đường 15 Hình 1.12 – Minh họa hiệu ứng doppler 16 Hình 1.13 – Kênh fading phẳng 18 Hình 1.14 – Kênh fading chọn lọc tần số 19 Hình 1.15 – Các loại fading kết hợp 20 Hình 1.16 – Hàm mật độ xác suất phân bố rayleigh 22 Hình 1.17 – Hàm mật độ xác suất phân bố ricean 23 Hình 2.1 – Đồ thị dự đốn mức độ suy hao mơ hình Okumura 26 Hình 2.2– Mơ hình Ericsson 34 Hình 2.3– Mối quan hệ suy hao xâm nhập số tầng tịa nhà 38 Hình 3.1 – Đồ thị mơ suy hao không gian tự (f=500 Mhz) 41 Hình 3.2.a –Đồ thị mơ suy hao mơ hình Okumura 42 Hình 3.2.b – Đồ thị mơ suy hao mơ hình Okumura 42 Hình 3.2.c – Đồ thị mơ suy hao mơ hình Okumura 43 Hình 3.3.a – Đồ thị mơ suy hao mơ hình Hata 44 Hình 3.3.b – Đồ thị mơ suy hao mơ hình Hata 44 Hình 3.3.c – Đồ thị mô so sánh suy hao mơ hình Hata 45 Hình 3.4.a – Mơ suy hao mơ hình Cost231 ( tịa nhà cao 10m) 46 Hình 3.4.b – Mơ suy hao mơ hình Cost231 ( tịa nhà cao m) 46 Hình 3.5 – Đồ thị so sánh hai mơ hình Okumura-Hata Cost 231 47 MỞ ĐẦU Có thể nói cơng nghệ thơng tin có phát triển mạnh mẽ Nhu cầu sử dụng thông tin liên lạc ngày tăng Mạng không dây trở thành công cụ gần thiếu tất nghành nghề, công việc học tập.Tuy nhiên với phát triển mạnh mẽ thiết bị không dây ngày nay, bỏ qua kiến thức liên quan đến hệ thống mạng khơng dây Trong phạm vi hàng chục chí hàng trăm mét vng hộ gia đình hay công ty, việc triển khai hệ thống mạng LAN hồn tồn “wireless” sử dụng cơng nghệ OFDMA [4], khơng q khó khăn, lại giúp bớt hệ thống dây lằng nhằng giúp việc sử dụng di chuyển thiết bị thuận tiện Do đặc tính kênh truyền vơ tuyến di động tín hiệu truyền qua kênh truyền bị phản xạ, nhiều xạ, khúc xạ … gây hiệ tượng fading đa đường Vì nghiên cứu tính tốn vùng phủ sóng dung lượng truyền sóng quan trọng Mặt khác đặc trưng vùng phủ khu vực nào, trải dài theo chiều dọc hay phân bố theo chiều cao, sóng vơ tuyến bị suy hao mức độ Làm để đảm bảo chất lượng thông tin cách tốt Một lĩnh vực nghiên cứu có tính chất định tới chất lượng thơng tin ảnh hưởng fading truyền dẫn em chọn đề tài nghiên cứu “Tìm hiểu mơ tượng fading đa đường truyền dẫn không dây” Mục tiêu nghiên cứu Đề tài nghiên cứu lý thuyết hệ thống thông tin vô tuyến yếu tố ảnh hưởng đến q trình truyền dẫn khơng dây, tìm hiểu tượng fading đa đường số môi trường cụ thể 42 - Chiều cao Antena thu (hre) : (m) - Khoảng cách trạm phát máy thu (d): 50 Km - Tần số máy phát (Mhz): 1000 (Mhz) Hình 3.2.a – Đồ thị mơ suy hao mơ hình Okumura Mức độ suy hao là: L(50) = 26.4575 (dB) Áp dụng với thông số Chiều cao Antena thu (hre) : (m) Khoảng cách trạm phát máy thu (d): 90(km) Tần số máy phát (Mhz): 1000 (Mhz) Hình 3.2.b – Đồ thị mơ suy hao mơ hình Okumura 43 Mức độ suy hao trường hợp là: L(50) = 38.2132 (dB) Áp dụng với thông số Chiều cao Antena thu (hre) : (m) Khoảng cách trạm phát máy thu (d): 90(km) Tần số máy phát (Mhz): 18000 (Mhz) Hình 3.2.c – Đồ thị mơ suy hao mơ hình Okumura Mức độ suy hao trường hợp là: L(50) = 26.4575 (dB) Như qua việc mô ba trường hợp ta nhận thấy, mơ hình Okumura để giảm suy hao cho khoảng cách chênh lệch máy phát máy thu từ 50 km đến 90 km, ta phải tăng cơng suất máy phát từ 1000 Mhz lên 1800 Mhz 3.2.3 Mơ suy hao mơ hình HATA Mã nguồn Matlab file hata.m Hata_tonghop.m (phần phụ lục) Áp dụng với thông số: - Chọn Thành phố (1 – Nhỏ Trung bình , – Lớn): - Kiểu áp dụng (1 – Nội thành , – Ngoại thành, 3-Nông thôn): - Chiều cao Antena phát (30 m đến 200m): 50 m - Chiều cao Antena thu (1m đến 10m): m 44 - Tần số máy phát Mhz từ 150 đến 1500 là: 500 Mhz Hình 3.3.a – Đồ thị mơ suy hao mơ hình Hata Kết thu mức độ suy hao trường hợp là: L(50) = 44.6754 (dB) Áp dụng với thông số: - Chọn Thành phố (1 – Nhỏ Trung bình , – Lớn): - Kiểu áp dụng (1 – Nội thành , – Ngoại thành, 3-Nông thôn): - Chiều cao Antena phát (30 den 200m): 50 m - Chiều cao Antena thu (1 den 10m): m - Tần số máy phát MHZ từ 150 đến 1500 là: 500 Mhz Hình 3.3.b – Đồ thị mô suy hao mô hình Hata 45 Kết thu mức độ suy hao trường hợp là: L(50) = 129.9365 (dB) So sánh môi trường ‘Thành Phố lớn’ – ‘Ngoại thành’ – ‘Nơng thơn’ Hình 3.3.c – Đồ thị mơ so sánh suy hao mơ hình Hata Như với chiều cao Antena thu, phát tần số thành phố khác kiểu áp dụng khác mức độ suy hao có chênh lệch rõ rệt 3.2.4 Mơ suy hao mơ hình COST231 Mã nguồn Matlab file Cost231.m (phần phụ lục) Áp dụng với thông số: - Tần số nhà cung cấp (800-2000MHz) 1000 - Chiều rộng đường phố (m) - Khoảng cách tòa nhà (m) - Chiều cao tòa nhà (m) 10 - Chiều cao ăng ten di động (1-3 m) - Góc tới liên quan đến đường phố (0-90độ) 60 46 - Chiều cao trạm phát sóng (4-50m) 30 Hình 3.4.a – Mơ suy hao mơ hình Cost231(tham số tịa nhà cao 10 mét) Áp dụng với thông số: - Tần số nhà cung cấp (800-2000MHz) 1000 - Chiều rộng đường phố (m) - Khoảng cách tòa nhà (m) - Chiều cao tòa nhà (m) - Chiều cao ăng ten di động (1-3 m) - Góc tới liên quan đến đường phố (0-90độ) 60 - Chiều cao trạm phát sóng (4-50m) 30 Hình 3.4.b – Mơ suy hao mơ hình Cost231 (tham số tòa nhà cao mét) 47 Như với thông số chiều cao tịa nhà khác suy hao có chênh lệch lớn Ví dụ: khoảng cách km trường hợp tòa nhà cao m mức độ suy hao đường truyền khoảng 102 (dB), tịa nhà cao 10 m mức độ suy hao lên đến 184 (dB) 3.2.5 So sánh hai mô hình Okumura-Hata COST 231 Mã nguồn Matlab file OkuHataVScost231.m (phần phụ lục) Hình 3.5 – Đồ thị so sánh hai mơ hình Okumura-Hata Cost 231 Mặc dù Hata COST231 thiết kế để sử dụng với trạm gốc với độ cao anten cao 30 mét, chúng sử dụng với ăng-ten ngắn hơn, với điều kiện tòa nhà xung quanh thấp chiều cao 3.3 Tổng kết chương Thông qua mô matlab có nhìn tổng quan mức độ suy hao môi trường truyền dẫn khác Một phương pháp phân tích phù hợp với mơi trường cụ thể bước quan trọng việc định lượng mức độ suy hao cho dự án truyền dẫn khơng dây 48 KẾT LUẬN Có thể nói Fading tượng cố hữu kênh vơ tuyến bầu khí gần mặt đất, với phạm vi đề tài nghiên cứu em cố gắng tìm hiểu cách tượng Fading đặc tính tượng đa đường, hiệu ứng Doppler, shadowing,… Từ tìm hiểu mơ hình lan truyền thực nghiệm triển khai bao gồm: mơ hình lan truyền ngồi trời (Okumura, Hata, COST 231), mơ hình lan truyền nhà (Log-distance, đa điểm gãy Ericsson) Hình thành cho thân tri thức trình học tập rèn luyện Hạn chế đề tài Do trình độ cá nhân cịn hạn hẹp thiết bị đo lường thiếu thốn nên đề tài dừng lại mức độ nghiên cứu, mô kiểm chứng lại hệ thống lí thuyết Hướng phát triển đề tài Đề tài phát triển nghiên cứu sâu kết hợp đo đạc thực nghiệm mơ hình cụ thể Từ đề xuất mơ hình cho vùng địa lí đó, chẳng hạn nghiên cứu đưa mơ hình suy hao cho Thành Phố Vinh - Nghệ An 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Abate Zeryhun (2009), WiMax RF Systems Engineering,Canton Street Norwood, MA 02062: ARTECH HOUSE [2] Adelaide Laurie Felicie (2012), Multipath Propagation, Salv [3] Goldsmith Andrea (2005), Wireless Communications, New York, USA, Cambridge University Press [4] Samuel C Yang (2010), OFDMA System Analysis and Design, Artech House, 685 Canton Street Norwood MA 02062: [5] Siong Foo Au (1999), Multipath Fading Channel Simulation for International Mobile Telecommunication 2000, Universiti Teknologi Malaysia [6] Theodore S.Rappaport (1996), Wireless Communication: Principle and Practice, Prentice Hall [7] Umar, Ph.D Amjad (2004), Mobile Computing and Wireless Communications, NGE Solutions, Inc.(www.nghesolutions.com) [8] Lê Xuân Công (2001), Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm hệ số suy giảm môi trường truyền sóng thơng tin di động dải tần 900 MHZ, Luận án Tiến Sĩ, Học viện bưu viễn thơng, 2001 [9] Học viện cơng nghệ bưu viễn thơng (2002), Giáo trình Thơng tin di động, NXB Bưu điện 50 PHỤ LỤC Các file Matlab code Suy hao không gian tự ( file: Free-spacePathloss.m) % Suy hao khong gian tu (Free Space Propagation Loss) clc; close all; clear all; f = input('Nhap tan so(MHz)'); c = 300; d = 1:1:10000; Lp =((4*pi*d*f)/c).^2; subplot(2,1,1); plot(d,Lp,'b'); xlabel('x > D (Km)'); ylabel('y > Lp (Suy hao)'); title('Suy hao không gian tudo'); grid on subplot(2,1,2); plot(d,10*log(Lp),'r'); xlabel('x > D (Meter)'); ylabel('y > Lp (Suy hao (dB))'); title('Suy hao không gian tudo'); grid on; uy hao mơ hình Okumura (file: okumura.m) clc; clear all; close all; Hte=30:1:100; % Base Station Antenna Height Hre=input('Chieu cao Antena thu 3m