Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan Trong thông tin di động, sóng điện từ phát đi thường không đến anten nhận trực tiếp vì có nhiều vật cản trên đường truyền thẳng. Thật vậy, sóng nhận được là sự xếp chồng của nhiều sóng đến từ nhiều hướng khác nhau do phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ gây ra bởi các nhà cao tầng, cây cối và những vật cản khác. Hiệu ứng này được gọi là truyền dẫn đa đường. Một trường hợp điển hình trong thông tin di động mặt đất được trình bày trong hình 1.
Vì truyền dẫn đa đường, tín hiệu nhận là tổng của vô số những thành phần (replica) của tín hiệu phát bị suy hao biên độ, trễ, dịch pha. Tùy thuộc vào pha của sóng thành phần, sự xếp chồng có thể tăng cường hoặc suy giảm. Ngoài ra, khi phát tín hiệu số, hình dạng của xung được phát có thể bị sái dạng trong quá trình truyền và thông thường bên phía thu (receiver) sẽ nhận được một vài xung phân biệt được do hiện tượng đa đường. Hiệu ứng này gọi là phân tán xung (impulse dispersion).
Giá trị của phân tán xung phụ thuộc vào sự khác biệt trễ truyền dẫn và mối quan hệ biên độ của các thành phần sóng. Truyền dẫn đa đường trong miền tần số được diễn tả bởi một đáp ứng tần số không lý tưởng của hàm truyền của kênh truyền. Kết quả là, kênh truyền làm sái dạng đặc tính đáp ứng tần số của tín hiệu phát. Sự sái dạng gây ra bởi hiện tượng đa đường là tuyến tính và có thể được bù bên phía thu bởi bộ cân bằng (equalizer).
Mô phỏng kênh truyền di động 5 HVTH: Cao Minh Phụng LVTN Cao học GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn Hình 1.1: Hình ảnh minh họa truyền dẫn đa đường trong môi trường thông tin di động mặt đất Bên cạnh hiệu ứng đa đường, còn có hiệu ứng doppler có ảnh hưởng không tốt đến đặc tính truyền dẫn của kênh truyền. Do sự di chuyển của thiết bị di động, hiệu ứng doppler gây ra sự dịch tần số của mỗi thành phần sóng tới. Góc của hướng đến α n , được định nghĩa bởi hướng đến của thành phần sóng đến thứ n, và hướng di chuyển của thiết bị di động như trong hình 1.2, xác định doppler frequency (frequency shift) của sóng đến thứ n theo quan hệ: f n = f max cos α n (1.1) Với f max là tần số doppler cực đại, liên quan với tốc độ của thiết bị di động v , tốc độ ánh sáng c0 , và tần số sóng mang f 0 bởi phương trình: Mô phỏng kênh truyền di động 6 HVTH: Cao Minh Phụng LVTN Cao học GVHD: TS.
Đỗ Hồng Tuấn v f max = f0 c0 (1.2) Tần số doppler cực đại (cực tiểu), có nghĩa là f n = f max ( f n = − f max ) , đạt được khi α n = 0 (α n = π ). Ngoài ra f n = 0 khi α n = π / 2 and α n = 3π / 2. Do hiệu ứng doppler, phổ của tín hiệu phát chịu sự mở rộng tần số trong quá trình truyền. Hiệu ứng này gọi là phân tán tần số (frequency dispersion).
Giá trị của phân tán tần số chủ yếu phụ thuộc vào tần số doppler cực đại và biên độ của các thành phần sóng nhận được. Trong miền thời gian, hiệu ứng doppler làm cho đáp ứng xung của kênh truyền biến đổi theo thời gian. Dễ dàng thấy rằng kênh truyền thông tin di động thực hiện nguyên tắc xếp chồng và do đó là hệ thống tuyến tính. Vì đặc tính biến đổi theo thời gian của đáp ứng xung, kênh truyền thông tin di động do đó thuộc về lớp hệ thống tuyến tính thay đổi theo thời gian.2: Góc của hướng đến (direction of arrival) α n của sóng đến thứ n minh họa cho hiệu ứng doppler Truyền dẫn đa đường cùng với sự di chuyển của receiver và/hoặc của transmitter dẫn đến một sự dao động ngẫu nhiên và mạnh mẽ của tín hiệu thu.
Sự suy giảm 30 đến 40 dB và thấp hơn nhiều giá trị trung bình của tín hiệu thu xảy ra vài lần trong một giây, phụ thuộc vào tốc độ của thiết bị di động và tần số của sóng Mô phỏng kênh truyền di động 7 HVTH: Cao Minh Phụng LVTN Cao học GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn mang. Một ví dụ điển hình của diễn biến tín hiệu thu trong truyền thông di động được trình bày trong hình 1. Trong trường hợp này, tốc độ của thiết bị di động là v=110km/h và tần số sóng mang là f0 = 900MHz.2) điều này tương ứng với tần số doppler cực đại là fmax=91Hz.
Trong ví dụ hiện tại, khoảng cách bao phủ bởi thiết bị di động trong suốt khoảng thời gian được chọn từ 0 đến 0.3: Tính chất (behaviour) điển hình của tín hiệu thu trong thông tin di động Trong thông tin số, fading ngắn của tín hiệu thu gây ra burst errors. Do đó, một khoảng (interval) fading tạo ra burst errors, với burst length được xác định bởi thời gian của fading interval, hay còn gọi là duration of fades. Tương ứng với điều này, một connecting interval sinh ra một chuỗi bit hầu như không có lỗi. Chiều dài của nó phụ thuộc vào khoảng thời gian của connecting interval hay còn gọi là connecting time interval.
Như các biện pháp thích hợp để bảo vệ lỗi, channel coding với high performance được cần đến. Để phát triển codes (cho channel coding) yêu cầu phải có kiến thức phân bố thống kê của của fades và của connecting time interval càng chính xác càng tốt. Nhiệm vụ của channel modelling là ghi lại và mô Mô phỏng kênh truyền di động 8 HVTH: Cao Minh Phụng LVTN Cao học GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn hình hóa những ảnh hưởng chính trong truyền tín hiệu để tạo ra một cơ sở cho sự phát triển của những hệ thống truyền dẫn.
Những phương pháp hiện đại của mô hình hóa kênh truyền thông tin di động đặc biệt hữu ích, những phương pháp này không những có thể mô hình đặc tính thống kê của kênh truyền thực tế (đo đạc) đối với hàm mật độ xác suất của biên độ kênh mà còn đối với tốc độ level-crossing và thời gian trung bình của fade. Hai mục tiêu được hướng tới. Thứ nhất, tìm một quá trình ngẫu nhiêu đặc biệt thích hợp để mô hình kênh truyền lựa chọn và không lựa chọn tần số. Trong ngữ cảnh này, chúng ta sẽ thiết lập một mô hình kênh được mô tả bởi một quá trình ngẫu nhiên lý tưởng gọi là reference model hay analytical model.
Mục tiêu thứ hai đó là, rút ra mô hình mô phỏng linh hoạt và hiệu quả cho những kênh truyền điển hình khác. Mối quan hệ giữa các mục tiêu này được thể hiện trên hình 1.4, nó cho thấy những kết nối giữa kênh vật lý, mô hình tham khảo, và mô hình mô phỏng xác định nhận được. Sự hữu ích và chất lượng của mô hình tham khảo cũng như mô hình mô phỏng tương ứng được đánh giá thông qua đặc tính thống kê của mỗi mô hình thích ứng như thế nào với đặc tính thống kê của kênh truyền đo đạc/cụ thể trong thực tế. Mô phỏng kênh truyền di động 9 HVTH: Cao Minh Phụng LVTN Cao học GVHD: TS.
Đỗ Hồng Tuấn Hình 1.4: Mối quan hệ giữa kênh truyền vật lý (the physical channel), mô hình tham khảo ngẫu nhiên (the stochastic reference model), mô hình mô phỏng xác định (the deterministic simulation model), và sự đo đạc hay đặc tả (the measurement or specification). Do hiệu ứng fading đa đường và doppler, làm cho tốc độ truyền dữ liệu trong các hệ thống thông tin di động bị hạn chế. Đề cương luận văn này tập trung vào việc mô hình hóa trên truyền thông tin di động theo mô hình thực nghiệm COST 207, mô phỏng trên Matlab, phân tích nhằm đưa ra những phương pháp có thể để cải thiện hơn nữa tốc độ truyền dữ liệu trong hệ thống di động. Phát biểu bài toán: Mô phỏng kênh truyền di động 10 HVTH: Cao Minh Phụng LVTN Cao học GVHD: TS.
Đỗ Hồng Tuấn Đề tài: Mô phỏng và phân tích kênh truyền thông tin di động xét có xét đến ảnh hưởng của fading và doppler theo mô hình COST 207. Giới hạn của đề tài: - Chỉ hiện thực code matlab cho mô hình kênh truyền 4-path và 6-path. - Kiểm tra mô hình dùng tối đa 2 anten phát và 2 anten thu.3 Phương pháp thực hiện Bước 1: - Kênh truyền theo COST 207 như sau: Signal có tần số f H(f) L path, mỗi path có: trễ, su hao, thuộc những loại khá - Xây dựng được H(f), hiện thực dùng matlab. Dựa vào hàm mật độ phổ công suất doppler, chúng ta thực hiện tính toán các thông số của mô hình kênh truyền (model parameters) như tần số doppler fi,n,l, hệ số doppler ci,n,l, ….dùng những phương pháp: MED (Method of Equal Distance), LPNM (Lp-Norm Method),… Những thông số này cho phép xác định hàm hệ thống (system function) có thể minh họa trong hình sau: Mô phỏng kênh truyền di động 11 HVTH: Cao Minh Phụng LVTN Cao học GVHD: TS.
Đỗ Hồng Tuấn Hình 1.5: Mô hình mô phỏng cho quá trình Gaussian xác định phức (complex deterministic Gaussian processes) μ (t ) Với: Ni , ký hiệu cho số lượng hàm điều hòa thuộc về phần thực ( i = 1 ) và phần ảo ( i = 2 ) của đường truyền thứ (the th propagation path). ci ,n, là hệ số doppler của thành phần thứ n của đường truyền thứ. Và fi ,n , , θi ,n , lần lượt là tần số doppler và pha doppler tương ứng. Bước 2: Khi đã xây dựng xong mô hình, kiểm tra (test) mô hình: Dùng kỹ thuật phân tập: STBC (Space Time Block Coding), đánh giá performance: BER,… MISO: Tx (2 anten) H(f) Rx (1 anten) Mô phỏng kênh truyền di động 12 HVTH: Cao Minh Phụng LVTN Cao học GVHD: TS.
Đỗ Hồng Tuấn MIMO: Tx (2 anten) H(f) Rx (2 anten) Mô phỏng kênh truyền di động 13 HVTH: Cao Minh Phụng LVTN Cao học GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn Chương 2: NHỮNG KHÁI NIỆM LÝ THUYẾT ĐƯỢC DÙNG TRONG LUẬN VĂN Trong phần sau đây sẽ giới thiệu một số định nghĩa, thuật ngữ và những kiến thức liên quan được sử dụng trong luận văn.1 Sample function của quá trình ngẫu nhiên: 2.1 Không gian xác suất (Q, A, P) Một phép thử mà kết quả của nó chưa được biết trước thì gọi là phép thử ngẫu nhiên. Chúng ta gọi những điểm đại diện cho kết quả của một phép thử ngẫu nhiên là những điểm mẫu (sample points) s. Một tập hợp những kết quả có thể của một phép thử ngẫu nhiên là một sự kiện (event) A.
Sự kiện Α = {s} bao gồm một thành phần s là một sự kiện cơ bản (elementary event).
