6. Nội dung của luận văn
3.5. Mô hình kênh không đối đất băng tầ nL
Trong phần này, luận văn mô tả các mô hình kênh được phát triển từ các phép đo kênh của Trung tâm nghiên cứu Glenn của NASA. Đây là các mô hình đáp ứng xung kênh CIR (Channel Impulse Response) theo thời gian khác nhau cho ba môi trường khác nhau: môi trường biển, núi và đồi núi. Trong tất cả các phép đo này, một chiếc máy bay cỡ trung (S-3B Viking) được bay với vận tốc và độ cao gần như không đổi trong các đường bay khác nhau. CIR được định nghĩa là hàm h(τ; t) và đại diện cho đáp ứng của kênh tại thời điểm t cho một ngõ vào xung tại thời điểm (t – τ). Trong tất cả các môi trường, CIR bao gồm một thành phần nhìn thẳng LOS (Line-of-Sight), một phản xạ bề mặt, và các thành phần đa đường không liên tục IMPC (Intermittent Multipath Component). Các thành phần LOS và phản xạ bề mặt được tính toán thông qua hình học.
Trong các tình huống nhiều anten, CIR giữa mỗi cặp ăng ten máy phát và máy thu được định nghĩa là hàm h(𝜏; 𝑡) và biểu thị đáp ứng của kênh tại thời điểm t với đầu vào xung tại thời điểm (𝑡 – 𝜏),
ℎ(𝜏; 𝑡) = 𝑧 (𝑡)𝛼 (𝑡)𝑒 ( )𝛿[𝜏 − 𝜏 (𝑡)] (3.8) Ở thành phần đa đường thứ k, 𝛼k(𝑡) đại diện cho biên độ được phân tích, 𝜏k(𝑡) độ trễ thay đổi theo thời gian và pha φk(t). Pha được đưa ra bởi:
Nó phụ thuộc vào thời gian thay đổi dịch Doppler liên quan đến
𝜔D,k(𝑡) = 𝑣(𝑡)𝑓ccos[𝜃k(𝑡)] / 𝑐 (3.10) Trong đó v(t) là vận tốc tương đối của máy bay, 𝜃k(𝑡) là góc pha tổng hợp của tất cả các thành phần đến trong phần trễ thứ k (được phân phối đồng đều trên [0, 2π] cho k > 2), và c là vận tốc ánh sáng.
Trong (3.8), zk(t) được gọi là "quá trình tồn tại", nó tính toán cho "sự tồn tại" hữu hạn của các đường truyền. Quá trình tồn tại này còn được gọi là quá trình “sinh và tử” (tức là, bật/tắt), và thường liên quan chủ yếu đến các thành phần k > 2. Quá trình z lấy giá trị bằng 0 hoặc 1. Trong (3.8), thành phần thứ nhất và thứ hai (k = 0, k = 1) nói đến tín hiệu nhìn thẳng (LOS) và phản xạ mặt đất. Các thông số của các thành phần LOS và phản xạ mặt đất được tính toán dựa trên mô hình hai tia đất cong CE2R (Curved Earth 2 Ray) [16]. Các thành phần chỉ số cao hơn (k > 2) đề cập đến các thành phần không liên tục có công suất tương đối nhỏ hơn nhiều. Như trong [16], các số liệu thống kê cho các thành phần này được thể hiện dễ dàng nhất như các hàm của khoảng cách. Trong tất cả môi trường, tất cả các thành phần đa đường không liên tục (IMPC) này được tìm thấy có công suất liên quan được mô hình hóa tốt bởi một phân bố Gauss, với giá trị trung bình μ dB dưới biên độ thành phần LOS và độ lệch chuẩn σ dB.
Bảng 3.2 liệt kê các giá trị tham số công suất Gauss của IMPC, số cực đại của các thành phần đa đường MPC (Multipath Component) ký hiệu L, cực đại căn bậc hai bình phương trung bình độ trải trễ RMS-DS (Root Mean Square - Delay Spread), thời gian IMPC tối đa (thường là cho thành phần thứ ba), và xác suất tối đa xuất hiện của IMPC cho các môi trường khác nhau dựa trên kết quả đo lường.
Bảng 3.2 Các giá trị thông số thống kê các mô hình kênh A/G [16], [25] µ σ L RMS-DS cực đại στ (ns) Khoảng thời gian cực đại (s) Xác suất xuất hiện cực đại Trên biển Đồi dốc Vùng núi 27,4 30,8 26,4 3,0 3,9 3,6 3 9 7 364,7 371,3 177,4 0,06 5,73 1,16 0,027 0,296 0,176 Các mô phỏng giả định với các điều kiện có thể là các điều kiện trong thử nghiệm bay, máy bay bay ra khỏi một trạm mặt đất với vận tốc và độ cao không đổi. Các kết quả hình học của cả hai mô hình cặp tia mặt đất phẳng FE2R (Flat Earth two-Ray) và cặp tia mặt đất cong CE2R (Curved Earth two-Ray) [16] được so sánh, tính toán cho các thành phần LOS và phản xạ bề mặt. CE2R thường chính xác hơn và thực tế hơn, đặc biệt khi khoảng cách liên kết tăng lên.
Các giả định là chiều cao của anten trạm mặt đất GS 20m trên mặt nước biển và độ cao máy bay có giá trị 800m, 4km, và 1km trên anten GS, trong môi trường trên mặt nước, miền núi và đồi núi, tương ứng. Tần số sóng mang là 985,5 MHz và tốc độ của máy bay là gần như không đổi ở 88 m/s (316,800 Km/h) cho cả ba môi trường.
Tại tần số sóng mang và vận tốc máy bay này, sự dịch chuyển Doppler tối đa là fD ≈ 290 Hz. Do đó, BW của phổ của Doppler có thể lớn bằng Bd =
2fD = 580 Hz. Nói chung, thời gian kết hợp kênh, ký hiệu Tc, tỷ lệ nghịch với sự lan truyền Doppler; do đó, Tc ≈ 3,5 ms. Ngoài ra, BW kết hợp kênh, ký hiệu Bc, tỷ lệ nghịch với RMS-DS στ; do đó, giá trị nhỏ nhất là Bc ≈ 1/(5στ) ≈ 540 kHz.
Chừng nào B << Bc (tương đương Ts >> στ), tín hiệu phát băng tần L là vấn đề của pha đinh theo tần số, và khi Ts << Tc (tương đương, Bs >> Bd), tín
hiệu truyền là vấn đề của pha đinh chậm [17]. Điều đáng nói đến là ngay cả ở vận tốc máy bay cao hơn, những kết luận này vẫn giữ, và theo Bảng 3.2, các MPC gián đoạn (k > 2) có xác suất xuất hiện thấp và thời gian ngắn.
Từ các mô hình suy hao đường truyền, chúng ta có thể tính toán công suất nhận được ở khoảng cách d, Pr(d), xem xét công suất phát (41 dBm), độ lợi anten (5 dB cho cả anten phát và thu), và suy hao toàn bộ cáp (4 dB) . Sau đó, tính toán mức công suất nhiễu PNoise tại máy thu giả sử một con số nhiễu 3dB và nhiệt độ hệ thống 17oC (290oK). Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm SNR (Signal to Noise Ratio) tính bằng decibel ở khoảng cách d là:
SNR(d) = Pr(d) – PNoise (3.11) Hình 3.6 cho thấy SNR (cặp tia điển hình) so với khoảng cách cho môi trường. Pha đinh Ricean ở độ chia nhỏ cũng có (K ∼ 12dB) [16], có thể do tán xạ bề mặt. Luận văn đã sử dụng các giá trị SNR này để tính toán BER theo khoảng cách. Hình này cho thấy tầm quan trọng của mô hình CE2R so với mô hình FE2R kém chính xác hơn. SN R ( dB ) Khoảng cách (Km)
3.6. Kết quả mô phỏng
Trong phần này, luận văn cung cấp các kết quả mô phỏng khác nhau so sánh ba hệ thống thông tin. Trọng tâm chính là L-DACS1 và FBMC, với các kết quả L-DACS2 được đưa vào để tham khảo. Luận văn đã sử dụng các thông số mô phỏng được liệt kê trong Bảng 3.1. Để so sánh đơn giản và tương tự cho tất cả các hệ thống thông tin, giả định thông tin kênh lý tưởng có sẵn tại máy thu, sử dụng một ước lượng kênh cưỡng bức 1 – 0 cho L-DACS1 và FBMC, sử dụng bộ cân bằng cưỡng bức 0 cho L-DACS2.