Mô phỏng máy tính đường truyền di động. Giảng viên: TS.Trịnh Anh Vũ

Mô phỏng dạng phổ do trải Doppler trong mô hình Clarke: - Khi có sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu, tín hiệu tại máy thu thu được sẽ có tần số sai khác với tần số bên thu

Giảng viên: TS.Trịnh Anh Vũ Học viên : Vương Văn Cường

Phạm Tùng Nam Lớp : K15D2 - ĐHCN

Mô phỏng máy tính đường truyền

di động

I Mô phỏng kênh phading trong miền tần số:

a Mô phỏng dạng phổ do trải Doppler trong mô hình Clarke.

b Mô phỏng Clarke và mô hình suy giảm Gan.

II Mô phỏng kênh phading trong miền thời gian.

III Kết luận.

a Mô phỏng dạng phổ do trải Doppler trong mô hình Clarke:

- Khi có sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu, tín hiệu tại máy thu thu được

sẽ có tần số sai khác với tần số bên thu Dẫn đến phổ tương ứng cũng có sự khác nhau – phổ tín hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler

- Nếu gọi fc là tần số bên phát phát đi, khi đó tần số của sóng bên thu nhận được sẽ là:

Trong đó fm: dịch Doppler cực đại, fc:tần số của tín hiệu tán xạ v: vận tốc chuyển động

tương đối của bên thu so với bên phát, λ: bước sóng của sóng tới, α: góc tới của tín hiệu

- Bằng việc sử dụng mô hình của Clarke, cho rằng các sóng tới máy thu theo các hướng khác nhau có cùng một biên độ và pha của các tín hiệu đó là phân bố đều, người ta tìm ra được mật độ phổ công suất của tín hiệu mà máy thu nhận được sẽ có dạng:

cos c m cos m (7.52)

v

f α f f α f

λ

2

[ ( ) ( ) ( ) ( )]

c m c

m

m

c m

f



 − 







- Với trường hợp ăngten thẳng đứng (G(α) = 1,5) và p(α) là phân bố đều trong khoảng từ 0 đến 2π, khi đó phổ tín hiệu thu được xác định bởi:

2

1,5

1

0

c m

m

f f f

f f f

S f

f

f f f

π



 − 





Bài toán: Trong hệ thống GSM, tần số của sóng mang được cho bởi fc = 900MHz Một trạm di động chuyển động với vận tốc v = 109,2km/h Mô phỏng mật độ phổ công suất của tín hiệu mà trạm di động thu được.

Code:

clear;

c=3e8;

f_c=900e6;

v=109.2e3/3600;

f_m=v*f_c/c;%Tan so Doppler cuc dai

z=-100:1:100;

for i=1:201;

f=f_c+i-101;

if abs(f-f_c)<=f_m

S(i)=(1.5/pi*f_m)/(sqrt(1-((f-f_c)/f_m)^2))

else

S(i)=0;

end

end

plot(z+f_c,S)

b Mô phỏng Clarke và mô hình suy giảm Gan:

 Phương pháp mô phỏng phổ biến là dùng các đường điều chế cùng pha và vuông pha để tạo nên tín hiệu có đặc tính phổ và thời gian gần với số liệu đo

 Dùng hai nguồn Gauss thông thấp độc lập để tạo nên các nhánh suy giảm vuông pha

và đồng pha Mỗi nguồn là tổng của 2 biến ngẫu nhiên Gauss độc lập và trực giao (g=a+jb, trong đó a, b là biến ngẫu nhiên Gauss thực, g là biến ngẫu nhiên Gauss phức)

 Dùng bộ lọc được định nghĩa theo dịch Doppler đẻ tạo dạng tín hiệu ngẫu nhiên trong vùng tần số, dạng sóng thời gian chính xác của suy giảm Doppler được tạo bởi biến đổi ngược nhanh (IFFT - Invert Fast Fourier Transform) tại phần cuối của bộ mô

phỏng

Smith thực hiện mô phỏng với các điều kiện sau:

 Bộ phát số ngẫu nhiên Gauss phức dùng để tạo phổ vạch băng cơ sở với tần số phức băng tần dương

 Tần số cực đại trong phổ vạch là fm

 Các thành phần tần số âm được tạo nên bằng cách lấy liên hợp giá trị Gauss phức

từ các thành phần tần số dương

 IFFT của tín hiệu này là quá trình ngẫu nhiên thực trong vùng thời gian được dùng trong các nhánh vuông nhau Phổ vạch ngẫu nhiên sau đó được nhân với biểu diễn tần số rời rạc của có cùng số điểm như nguồn ồn

 Để xử lý giá trị vô cùng tại sườn của băng thông, Smith đã cắt giá trị của bằng cách tính độ nghiêng của hàm tại điểm lấy mẫu tần số ngay trước sườn băng thông và mở rộng độ dốc đến sườn băng thông

( )

Z

 Mô phỏng suy giảm Rayleigh trên vùng tần số của Smith:

Thuật toán của Smith (7 bước):

1 Xác định số điểm vùng tần số (N) để biểu diễn và độ dịch tần maximum (fm) Giá trị của N thường là lũy thừa của 2

2 Tính khoảng cách tần số giữa các vạch phổ: từ đó cũng có độ dài của dạng sóng suy giảm

3 Tạo biến ngẫu nhiên Gauss phức đối với mỗi thành phần tần số dương của nguồn ồn

4 Cấu tạo thành phần tần số âm của nguồn ồn bằng cách lấy liên hợp phức các giá trị thành phần tần số dương rồi sắp chúng về thành phần tần số dương

5 Nhân các nguồn ồn cùng pha và vuông pha với phổ suy giảm

6 Thực biện biến đổi IFFT tín hiệu nhận được trong vùng tần số từ các nhánh đồng pha

và vuông pha Tính tổng các bình phương của mỗi nhánh

7 Lấy căn bậc 2 của tổng nhận được trong bước 6 để nhận được chuỗi N điểm thời gian của tín hiệu được mô phỏng suy giảm Rayleigh với sự trải Doppler và tương quan thời gian chính xác

)

( f

SEz

1

2

−

=

∆

N

f

1

T

f

=

∆

)

( f

SEz

1, Code chương trình mô phỏng:

2, Kết quả đạt được:

a, Mô phỏng bộ lọc Doppler

với các thông số:

N=64;

fm=50Hz;

b, Tạo nguồn ồn Gauss trong miền tần số:

Tín hiệu suy giảm Rayleigh thu được sau mô phỏng với sự trải Doppler:

 Mô phỏng một kênh phading có thể được cấu trúc bởi tổng các chuỗi hình sin của Rice

 Bằng việc sử dụng phương pháp Rice, một tín hiệu phức băng gốc có thể được tạo ra theo phương trình:

 Trong đó:

 Ni là số thành phần hình sin để tạo nên tín hiệu gi(t).

 Các hệ số ci,n được gọi là các hệ số Doppler; fi,n là các thành phần tần số Doppler rời rạc là các pha Doppler rời rạc.

 Theo phương pháp trải phổ Doppler chính xác (Methode exact Doppler

spread_MEDS), thành phần ci,n , fi,n được xác định như sau:

 Với n = 1, 2,…, Ni và i = 1, 2 tương ứng.

) (

~ )

(

~ )

(

~

2

1 t j g t g

t

1

n

=

%

+

n

i ,

θ

 b là phương sai của gi(t) và fm là tần số Doppler cực đại.

 Với việc sử dụng các hệ số ci,n , fi,n và như trong phương pháp MEDS đã chỉ ra thì các tín hiệu gi(t) sẽ có biên độ tuân theo phân bố thống kê Gauss.

 Theo lý thuyết đã chỉ ra, g(t) là tổng của hai thành phần Gauss trực giao, nên g(t) sẽ là một thành phần ngẫu nhiên có biên độ tuân theo phân bố

Rayleigh.

1 Code chương trình mô phỏng:

2 Kết quả đạt được:

a, Kiểm tra tín hiệu ngẫu nhiên g1(t)

có biên độ tuân theo phân bố Gauss

với các tham số:

f_s=50000;

T=20;

b, Sự suy giảm biên độ của kênh

phading một tia với các tham số:

f_s=270800;

T=0.4;

f_m=91;

c, Mô phỏng sự phân bố biên độ

của tín hiệu f(t) với các thông số:

f_s=5000;

T=20;

f_m=91;

 Mô phỏng kênh vô tuyến giúp các nhà thiết kế hệ thống phân tích được hệ thống bằng máy tính trước khi triển khai mạng

 Mục đích của mô phỏng là tạo ra một mô hình giống như kênh truyền trong điều kiện thực tế Các bước cần thiết phải thực hiện khi mô phỏng là:

– Đo đạc kênh ở môi trường truyền dẫn thực tế Số liệu đo đạc dùng để tính toán và ước lượng các tính chất xác suất của kênh như hàm mật

độ trễ công suất, phổ Doppler, hàm tán xạ của kênh, …

– Dựa vào các tính chất xác suất của kênh thu thập được thông qua đo đạc, người ta dùng các phương pháp mô phỏng kênh khác nhau như: phương pháp dùng bộ lọc, phương pháp của Rice, Để tạo lại các quá trình xác suất có tính chất gần giống với kênh truyền Phương

pháp của Rice khác phương pháp dùng bộ lọc ở chỗ các hệ số kênh truyền được tạo ra bằng tổng các hàm sin() và cos() với các tham số phù hợp.

 Sau khi mô phỏng được kênh truyền, các nhà thiết kế mới lựa chọn các phương pháp điều chế hay mã kênh phù hợp với kênh truyền đó Vì vậy, chất lượng của hệ thống có thể ước lượng được thông qua mô phỏng bằng cách sử dụng kênh đã mô phỏng trước khi triển khai mạng thực tế

Do vậy việc mô phỏng kênh sẽ làm tối ưu giá thành thực hiện mạng và có thể cho biết được chất lượng của mạng trước khi triển khai thực tế.

 Trong bài báo cáo này, nhóm đã thực hiện được:

+ Mô phỏng phổ Doppler trong mô hình Clarke

+ Mô phỏng kênh phading trong miền tần số theo phương pháp Smith

+ Mô phỏng kênh phading trong miền thời gian theo phương pháp Rice

THANKS FOR YOUR ATTENTION!