Chuyên Đề Mô Hình Hóa Và Mô Phỏng Truyền Thông Vô Tuyến Bộ Môn Vô Tuyến Truyền Thông Vô Tuyến.pdf

Slide 1 1Nguyễn Viết Đảm Mô hình hóa và mô phỏng Hệ thống truyền thông vô tuyến KHOA VIỄN THÔNG 1 BỘ MÔN VÔ TUYẾN TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN Hà nội 10 2017 Nguyễn Viết Đảm Khoa Viễn thông 1 HỌC VIỆN CÔNG N[.]

Trang 1

Nguyễn Viết Đảm

Mô hình hóa và mô phỏng

Hệ thống truyền thông vô tuyến

TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN

Hà nội 10-2017

Nguyễn Viết Đảm

Khoa Viễn thông 1

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Địa chỉ: PTIT- Km10- Đường Nguyễn Trãi, Quận Hà đông, Thành phố Hà nội

Điện thoại: 0912699394 Email: damnvptit@gmail.com

MỘT SỐ CHUYÊN ĐỀ

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN

Trang 2

Khai thác tài nguyên vô

tuyến chưa triệt để.

Khai thác tiềm năng của

các thành phần và node mạng chưa triệt để.

Khai thác CSI chưa triệt

để.

Việc phối kết hợp chưa cao.

• Mã hóa kênh sửa lỗi tiên tiến, phân tập, điều chế bậc cao, MIMO-OFDM,…

• Quy hoạch và tối ưu mạng, mạng tự tối ưu, SON,…

• Phân bổ tài nguyên tối ưu và lập lịch động, cơ chế thích ứng: AMC, AOFDM ,…

Tài nguyên bị hạn chế và khan

Khai thác hiệu quả và triệt

để tài nguyên vô tuyến

Khai thác triệt để năng lực

và tiềm năng của các thành phần và nút mạng.

Đối phó, khắc phục các

nhược điểm.

Khai thác triệt để CSI.

 Vô tuyến khả tri: Phát hiện và khai thác

phổ tần rỗi (cảm nhận môi trường và phân bổ tài nguyên)

 Vô tuyến hợp tác: Hợp tác, phối kết hợp

giữa các nút mạng và các phần tử để tăng

độ chính xác cảm nhận, mã hóa mạng động,…

 Vô tuyến UWB, Massive MIMO, RoF….

Mục tiêu:

Tối đa hóa hiệu năng (dung lượng

và chất lượng) và hiệu quả chiếm dụng năng lượng

Trang 3

Tiến hóa truyền thông vô tuyến và vô tuyến UWB

Môi trường vô

tuyến

Yêu cầu và nhu

cầu Mạng truyền thông vô tuyến hiện tại

• Khai thác tài nguyên VT

chưa triệt để.

• Khai thác tiềm năng của các

thành phần và node mạng chưa triệt để.

• Khai thác CSI chưa triệt để.

• Việc phối kết hợp chưa cao.

• Mã hóa kênh sửa lỗi tiên tiến, phân tập, điều chế bậc cao, MIMO-OFDM…

• Quy hoạch và tối ưu mạng, mạng tự tối ưu SON…

• Phân bổ tài nguyên tối ưu và lập lịch động, cơ chế thích ứng: AMC, AOFDM…

Khai thác hiệu quả và triệt để tài nguyên vô tuyến ở

dạng đồng hoạt động và chồng phổ tần.

Khả năng đề kháng với kênh pha đinh.

Dung lượng lớn.

Định vị chính xác.

Vô tuyến hóa thiết bị cá nhân.

Vi mạng hóa, truyền thông xanh.

Mục tiêu:

Tối đa hóa hiệu năng (dung lượng

và chất lượng) và hiệu quả sử dụng năng lượng

Tài nguyên bị hạn chế và khan

hiếm Nhu cầu chiến dụng ngày càng gia tăng

Chất lượng và an ninh kém Yêu cầu chất lượng ngày

Trang 4

Tốc độ tiến hóa truyền thông vô tuyến: Mô hình hóa và mô phỏng

- Các tham số đặc trưng của MT động (CSI động)

- Tài nguyên hạn chế và khả dụng động như: hố

phổ, chồng phổ (cơ hội chiếm dụng và chia sẻ tài nguyên)…

- Tài nguyên bị hạn chế (mã, công suất, băng

thông…)

- Nhu cầu chiếm dụng tài nguyên động…

- Tính công bằng mềm dẻo, mức độ ưu tiên

 Tính chất động, tính ngẫu nhiên của

môi trường vô tuyến và điều kiện ràng buộc.

 Khó khăn thách thức…

 Xử lý tín hiệu tiên tiến, thư viện

chương trình xử lý tín hiệu trong các ngôn ngữ lập trình

 Kiểm chứng, phê chuẩn kết quả

Góp phần gia tăng tốc độ tiến hóa ?

Tối đa hóa hiệu năng (dung lượng và chất lượng) và hiệu quả sử dụng năng lượng.

Mục tiêu

Trang 5

Cellular Architecture and Key Technologies for 5G

Wireless Communication Networks

 A Potential 5G Wireless Cellular Architecture

 Promising Key 5G Wireless Technologies

 Visible Light Communication

 Future Challenges in 5G Wireless Communication Networks

 Optimizing Performance Metrics

 Reducing Signal Processing Complexity for Massive MIMO

 Realistic Channel Models for 5G Wireless Systems

 Interference Management for CR Networks

Trang 6

Cellular Architecture and Key Technologies for 5G Wireless

also be a

heterogeneous

one, with

macrocells, microcells, small cells, and relays

To accommodate high mobility users such as users

in vehicles and high-speed trains,

we have proposed

the mobile

femtocell concept, which combines

the concepts of mobile relay and

Trang 7

Môi trường Vô tuyến

CẢM NHẬN PHỔ

QUYẾT ĐỊNH

PHỔ

PHÂN TÍCH PHỔ

Tín hiệu truyền đi Các tác nhânVô tuyến RF

Thông tin về

hố phổ

Dung lượng kênh

CR thích nghi với môi trường phổ

Vô tuyến khả tri thích nghi với phổ của môi trường; trong khi đó SDR lại thích

nghi với môi trường mạng

Vô tuyến khả tri - Vô tuyến nhận thức - Vô tuyến tri thức

“Vô tuyến khả tri CR là vô tuyến có thể thay đổi các thông số truyền trên cơ sở tương tác

với môi trường làm việc”

Theo Ed Thomas “ Nếu xét toàn bộ dải tần số vô tuyến từ 0 đến 100 GHz và quan trắc ở một thờiđiểm tại một địa điểm cụ thể, thì chỉ có 5% đến 10% lượng phổ tần được chiếm dụng” => lãngphí hơn 90% tài nguyên phổ tần vô tuyến Công nghệ CR được xem là giải pháp tối ưu cho vấn

đề này

MINH HỌA TIẾN HÓA TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN

Trang 8

RF Điều chế Mã hóa Tạo khung Xử lý

Vô tuyến thông thường

RF Điều chế Mã hóa Tạo khung Xử lý

Vô tuyến định nghĩa bằng

Xử lý thông minh (cảm nhận, nhận thức, tối ưu)

Khái quát về vô tuyến khả tri

Vô tuyến thông thường - Vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm

SDR - Vô tuyến khả tri CR

Trang 9

Mức độ phức tạp của ISP và Công nghệ qua các tầng của mô hình OSI Đối với một CR tối ưu, tính thông minh

và khả năng tái cấu hình được ở tất cả các lớp là yêu cầu lý

tưởng.

7 tầng của mô hình OSI

“CR sử dụng xử lý tín hiệu thông minh (ISP) ở lớp Vật lý của hệ thống vô tuyến và đạt được bằng

cách kết hợp ISP với SDR”

Trang 10

Anten

băng rộng

Bộ ghép song công

Cổng định thời

Điều khiển công suất phát (TPC) Bộ tổng hợp

thích ứng

Phát hiện lịch sử chiếm dụng tài nguyên vô tuyến (IPD)

Phối hợp lựa chọn

SDR-1 (∆f 1 ) SDR-1 (∆f 2 ) SDR-1 (∆f N )

Nhiều anten

Đầu ra

Đầu vào Băng tần = ∆fi

Mô hình vô tuyến khả tri dựa trên SDR

(FPGA => cho phép thông minh hóa thiết bị người dùng)

Trang 11

Khả năng khả tri

Khả năng tự cấu hình

Tính chất điển hình của vô tuyến khả tri:

 Khả năng khả tri: khả nhận tài nguyên (phổ tần) không được chiếm dụng tại một thời điểm,

tại vị trí nhất định => tối ưu hóa phân bổ tài nguyên (công suất, mã, lập lịch, ), tối ưu hóatham số đối lập (AMC) tối ưu hóa hiệu năng

 Tính tự cấu hình: Khả năng điều chỉnh các thông số theo môi trường truyền thông động và tài nguyên động, khả năng thích ứng.

Trang 12

Sim_FWC02: Mô hình hóa và mô phỏng hiệu năng BER của hệ

thống truyền dẫn tín hiệu BPSK trong môi trường kênh AWGN

Sim_FWC03: Mô hình hóa và mô phỏng hiệu năng BER của hệ

thống BPSK sử dụng mã xoắn trong môi trường kênh AWGN

Sim_FWC04: Mô phỏng dạng sóng, biểu đồ mắt, biểu đồ pha và

PSD của hệ thống truyền dẫn tín hiệu QPSK

Sim_FWC05: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống SVD MIMO

CƠ SỞ KỸ THUẬT THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Trang 13

NỘI DUNG (2/4)

Sim_FWC06: Mô hình hóa và mô phỏng dung lượng của hệ thống

SVD MIMO

Sim_FWC07: Mô hình hóa và mô phỏng dung lượng hệ thống

MIMO tương quan

Sim_FWC09: Mô hình hóa và mô phỏng cải thiện hiệu năng đa anten

MIMO trên cơ sở khử nhiễu ở dạng V-BLAST kết hợp MAP

Sim_FWC08: Mô hình hóa và mô phỏng cải thiện hiệu năng đa anten

MIMO trên cơ sở khử nhiễu ở dạng V-BLAST

CƠ SỞ KỸ THUẬT THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Trang 14

Sim_MA01: Biểu diễn PSD của các tín hiệu cho hệ thống

BPSK_DSSS_CDMA trong băng tần gốc và băng thông

Sim_MA02: Mô phỏng quá trình tạo chuỗi m và hàm tự tương quan

của chuỗi m

Sim_MA03: Mô phỏng tạo chuỗi mã Gold và mã định kênh cho hệ

thống WCDMA

BPSK_DS_CDMA trong môi trường kênh AWGN và nhiễu phá

Sim_MA05: Mô phỏng hiệu năng BER cho hệ thống DS_CDMA

trong môi trường kênh AWGN và kênh pha đinh đa đường

NỘI DUNG (3/4)

ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN

Trang 15

Sim_MA06: Trực quan hóa nguyên lý hoạt động hệ thống truyền

dẫn OFDM trên cơ sở thuật toán IFFT/FFT và chèn/khử CP

Sim_MA07: Mô hình hóa và mô phỏng hiệu năng SER cho hệ

thống truyền dẫn OFDM trong môi trường kênh AWGN

thống truyền dẫn OFDM trong môi trường kênh AWGN và kênh pha đinh đa đường

thống truyền dẫn SC-FDMA trong môi trường kênh AWGN và kênh pha pha đinh đa đường

NỘI DUNG (4/4)

ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN

Trang 16

KHOA VIỄN THÔNG 1

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG

HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN

BỘ MÔN VÔ TUYẾN

CƠ SỞ KỸ THUẬT THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Hà nội 10-2017

Nguyễn Viết Đảm

Khoa Viễn thông 1

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Địa chỉ: PTIT- Km10- Đường Nguyễn Trãi, Quận Hà đông, Thành phố Hà nội

Điện thoại: 0912699394 Email: damnvptit@gmail.com

Trang 17

Sim_FWC01

Biểu diễn mật độ phổ công suất của các kỹ

thuật điều chế trên Matlab

Trang 18

Biểu diễn mật độ phổ công suất của các kỹ thuật điều chế

trên Matlab

 Mục đích

Hiểu mật độ phổ công suất PSD của tín hiệu ngẫu nhiên băng gốc và PSD của tín hiệu ngẫu nhiên thông dải và quá trình dịch phổ tần tín hiệu Phân tích so sánh PSD của các kỹ thuật điều chế.

 Nội dung

 Phân tích biểu thức tín hiệu băng tần cơ sở và biểu thức tín hiệu thông dải trong miền thời gian (dạng sóng tín hiệu và hàm tự tương quan), tính toán và mô tả trên Matlab.

 Phân tích biểu thức PSD của tín hiệu băng tần cơ sở, tính toán và biểu diễn trên Matlab.

 Phân tích biểu thức PSD của tín hiệu thông dải, tính toán và biểu diễn trên Matlab.

 Phân tích các biểu thức tín hiệu điều chế trong miền thời gian và tần số.

 Phân tích các biểu thức PSD của các kỹ thuật điều chế, tính toán và biểu diễn trên Matlab.

Trang 19

Trang 20

 2

c

f T

 f c 3T

 1

c

f T

 2

c

f T



3

c f T



1

c

f T

góc pha ngẫu nhiên phân bố đều trong [0,2 ]

không phụ thuộc v ào X (t) Y (t) thành WSS

:

A T (f ) Sinc (f f ) Sinc (f f )

ACF : PSD

Hàm tự tương quan và mật độ phổ cụng suất

của tớn hiệu ngẫu nhiờn thụng băng

Trang 21

Mô tả PSD của tín hiệu băng tần cơ sở và tín hiệu thông băng trên Matlab

Trang 22

( )

16 ( ) 1 16 ( ) 1

b S

E f

-0,75 -1

Mô tả, so sánh PSD của tín hiệu QPSK và MSK

Mô tả mật độ phổ công suất của các kỹ thuật điều chế trên Matlab

Trang 23

-5000 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 1

2 3 4

0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

-5000 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 0.002

0.004 0.006 0.008 0.01

Mô tả, so sánh PSD của tín hiệu QPSK và MSK trên Matlab

PSD của tín hiệu MSK

cos 2 ( ) cos 2 ( ) 16

( )

16 ( ) 1 16 ( ) 1

c b c b b

S

b c b c

E f

2R

Chương trình: Sim_FWC_01_2_PSD_Modulation

Trang 24

-5000 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 1

2 3 4

1 2 3 4

-5000 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 1

2 3 4

Mô tả, so sánh PSD của tín hiệu QPSK và MSK trên Matlab

PSD của tín hiệu MSK

cos 2 ( ) cos 2 ( ) 16

( )

16 ( ) 1 16 ( ) 1

c b c b b

S

b c b c

E f

2R

Chương trình: Sim_FWC_01_2_PSD_Modulation

Trang 25

f E.Sinc Tf E log M.Sinc T log M.f

Mô tả, so sánh PSD của tín hiệu BPSK; QPSK; 8-PSK

Trang 26

-5000 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 1

2 3 4

0.01 0.015

Trang 27

-5000 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 1

2 3 4

4 6

Trang 29

Mô hình hóa và mô phỏng hiệu năng BER của hệ thống truyền dẫn

tín hiệu BPSK trong môi trường kênh AWGN

 Mục đích

Xây dựng mô hình (mô hình hóa) hệ thống truyền dẫn tín hiệu BPSK trong môi trường kênhAWGN

Mô phỏng hiệu năng BER của hệ thống truyền dẫn tín hiệu nhị phân đối cực và trực giao

trong môi trường kênh AWGN

 Nội dung

Tóm tắt lý thuyết (mô hình toán)

Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn tín hiệu BPSK trong môi trường kênhAWGN

Matlab hóa mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn tín hiệu BPSK trong môi trường kênhAWGN

Mô phỏng phân tích, so sánh và đánh giá hiệu năng BER của hệ thống truyền dẫn tín hiệuBPSK trong môi trường kênh AWGN:

• Định nghĩa và phân tích các tham số đầu vào của chương trình mô phỏng (thiết lập kịch bản mô

phỏng);

• Mô phỏng theo từng bước (thiết lập các bước mô phỏng), xác định và thay đổi giá trị của các tham số

đầu vào cho chương trình, phân tích ảnh hưởng của các tham số đầu vào lên kết quả mô phỏng;

• Tổng hợp, phân tích, so sánh và đánh giá các kết quả mô phỏng.

Phân tích, tính toán, và mô phỏng so sánh hiệu năng BER của hệ thống truyền dẫn tín hiệu

nhị phân đối cực và trực giao trong môi trường kênh AWGN.

Trang 30

 Xây dựng sơ đồ điều chế/giải điều chế trên cơ sở không gian tín hiệu:

 Mô hình hóa quá trình truyền tín hiệu trên cơ sở không gian tín hiệu, các tham

số đặc trưng của không gian tín hiệu.

 Mô hình hóa quá trình truyền tín hiệu (điều chế/giải điều chế) trên cơ sở không gian tín hiệu.

 Tham số hóa tín hiệu điều chế theo các tham số đặc trưng của không gian tín hiệu.

 Nguyên lý hoạt động quá trình điều chế/giải điều chế trên cơ sở không gian tín

hiệu:

 Dạng sóng tín hiệu.

 Quá trình hình thành không gian tín hiệu: Biểu đồ pha và quá trình chuyển dịch pha tín hiệu

 Phổ tần tín hiệu điều chế và quá trình dịch phổ tần tín hiệu.

 Tính toán và đánh giá hiệu năng của kỹ thuật điều chế/giải điều chế trên cơ sở

không gian tín hiệu:

 Hiệu năng xác suất lỗi ký hiệu trên cơ sở không gian tín hiệu.

 Hiệu năng chiếm dụng phổ tần trên cơ sở không gian tín hiệu.

 Biểu đồ mắt tín hiệu.

 Biểu đồ pha tín hiệu.

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ

Trang 31

Xây dựng sơ đồ điều chế/giải điều chế QPSK trên cơ sở không gian tín hiệu

T N

s

iNs

2 ( )t



2 i

Trang 32

S T

Trang 33

Mụ hỡnh húa và mụ phỏng

Hệ thống truyền thụng vụ tuyến

Biểu thức tớn hiệu điều chế, giải điều chế, sơ đồ

S ( t )

b s

E cos 2 f t , i 1 T

2

E cos 2 f t , i 2 T

2

E cos 2 f t ( T

dt )

định

Lấy mẫu tại t = kT b

Điều chế

) t (

si

Bộ chuyển

đổi mức

1 i

0 y nếu 0 Chọn

1 1

y 1

ĐIỀU CHẾ/GIẢI ĐIỀU CHẾ BPSK; N=1, M=2

Biểu thức tớn hiệu điều chế Khụng gian tớn hiệu

Biểu thức tớn hiệu giải điều chế Hiệu năng

Không gian tín hiệu 1 chiều (N=1):

Trang 34

Mô hình hóa mô phỏng BER cho hệ thống BPSK

trong môi trường kênh AWGN

b b

 

1 b 1

Khôi phục định thời

1 1

1

1 1 1

2 0

( ) ( )

2

1

ar Y

i b Y

N

1

Y

Trang 35

y10

Biên giới quyết định

Mô phỏng BER cho hệ thống BPSK trong kênh AWGN

2

1 0 1

( ) / 1

0

1 ( |1)

( ) / 1

0

1 ( | 0)



 

 y E b N Y

Trang 36

2

1 1 1 1

1

2

1 0

[ ] 1

2 1

0

1 ( |1)

2 1

Y b

0

1 (0 |1)

2

b

y E N e

b

N E Q

Y

b E



So sánh đếm lỗi

Tạo biến NN Gausơ

Tạo nguồn nhị phân

Quyết định

b b

2

1 0

[ ] 1

2 1

1 ( ) / 0

1 ( | 0)

2 1

Y b

ar Y

2

b

y E N e

b

N E Q

Trang 37

Mô phỏng BER hệ thống BPSK trong môi trường kênh AWGN

if (Y<0) decis = 1;

else

decis = 0;

end ;

% Generation of the binary data source and AWGN channel

temp = rand; % Uniform radom variable over (0,1)

NN Var[n ] σ N 2

Tạo biến NN Gausơ

b b

end

Trang 38

SNRindB = 0:0.5:10; SNR = 10.^(SNRindB/10); Eb = 1; sgma = E./sqrt(2*SNR); NumBit = 10^7;

% Generation of the binary data source and Pass AWGN channel

temp = rand; % Uniform radom variable over (0,1)

if (temp<0.5), dsource(i)=1; % With probability 1/2 source output is 1

X= sgma(j)*randn(1); % Generated Gaussian Random Variable

Y = -sqrt(Eb) + X ; % 1 with enrery is –sqrt(Eb); and pass AWGN channel else

dsource(i)=0; % With probability 1/2 source output is 0

X= sgma(j)*randn(1); % Generated Gaussian Random Variable

Y = sqrt(Eb) +X; % 0 with enrery is +sqrt(Eb); and pass AWGN channel end

% detector follows/Decission

if (Y<0) decis(i) = 1; % Decission is ‘1' else

decis(i) = 0; % Decission is ‘0' end;

% Comparision for determine error and conter error

if (decis(i)~=dsource(i)) % if it is an error, increase the error counter numoferr = numoferr+1;

chương trình theo

mô hình mô phỏng.Tối ưu hóa chươngtrình

 Sử dụng hàm tic,toc, clock, cputimekiểm tra thời gianchạy chương trình

 So sánh thời gian

mô phỏng BER vàthời gian tính toánBER

Trang 39

 Kịch bản mô phỏng

SNR = [0:1:7]; % xét cho nhiều giá trị của SNR  kênh AWGN

NumBits = 10^6; % Thực hiện trên nhiều vòng lặp  lấy mẫu kênh, số

bits được mô phỏng

Biến NN gausian X

Số lỗi

BER

Xác định các tín hiệu trong mô hình, chương trình mô phỏng và ghi kết quả

Đầu ra của tạo nguồn nhị phân Đầu ra kênh AWGN Vào/ra quyết định BER

 Kết quả mô phỏng

Trang 40

BER của trực giao

BER của đối cực

 Sử dụng các hàm display () và disp () để hiển thị kết quả ra mần hình, tính toan tra bảng hàm Q(x) để so sánh

 Vẽ so sánh xác xuât lỗi trên cùng một hình

Tiêu đề	Chuyên Đề Mô Hình Hóa Và Mô Phỏng Truyền Thông Vô Tuyến
Tác giả	Nguyễn Viết Đảm
Trường học	Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông
Chuyên ngành	Truyền Thông Vô Tuyến
Thể loại	Chuyên đề
Năm xuất bản	2017
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	296
Dung lượng	37,97 MB