ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG
Trương Vũ Bằng Giang, Trần Xuân Nam
NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

Mục lục
Mục lục i
Danh sách hình vẽ vii
Danh sách bảng xii
Giới thiệu 1
1 Các khái niệm cơ bản 3
1.1 Mởđầu 3
1.2 Vaitròcủamôhìnhhoávàmôphỏng 4
1.3 Các trường hợp cần sử dụng phương pháp mô phỏng 5
1.3.1 Nghiên cứu trên hệ thống thực gặp khó khăn 5
1.3.2 Đánhgiáđộnhạycủahệthống 6
1.3.3 Khichưacóhệthốngthực 7
1.4 Các hướng phát triển của phương pháp mô phỏng . 7
1.5 Ngônngữvàcôngcụmôphỏng 8
1.6 Mộtsốlỗithườnggặptrongmôphỏng 9
1.6.1 Mứcđộchitiếtchưathỏađáng 9
1.6.2 Ngônngữkhôngphùhợp 10
1.6.3 Mô hình chưa được kiểm chứng 10
1.6.4 Môhìnhkhôngchínhxác 10
1.6.5 Xử lý điều kiện ban đầu không chính xác . . 11
i
ii MỤC LỤC
1.6.6 Thờigianmôphỏngquángắn 11
1.7 Một số nguyên nhân làm kết quả mô phỏng bị sai . 11
1.7.1 Dựtrùthờigiankhôngthíchhợp 11

1.7.2 Mụctiêukhócóthểđạtđược 12
1.7.3 Chưacóđủcáckỹnăngcầnthiết 12
1.7.4 Mức độ tham gia của người sử dụng chưa đủ 13
1.7.5 Tài liệu không tồn tại hoặc đã lỗi thời . . . 13
1.7.6 Khả năng quản lý một chương trình phức tạp 14
1.7.7 Kết quả phức tạp và khó hiểu 14
2 Các mô hình và phương pháp mô phỏng 15
2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 15
2.2 Phânloạicácmôhìnhmôphỏng 16
2.3 Các phương pháp mô phỏng 18
2.4 Mô phỏng Monte-Carlo trong truyền thông số . . . 20
2.5 Mô phỏng băng thông và mô phỏng băng gốc . . . 27
3 Phương pháp luận mô phỏng 31
3.1 Mởđầu 31
3.2 Xácđịnhbàitoán 32
3.2.1 Địnhnghĩađốitượngnghiêncứu 33
3.2.2 Liệt kê các vấn đề đặc biệt cần chú ý . . . . 34
3.2.3 Xác định giới hạn và miền nghiên cứu . . . 35
3.2.4 Xác định độ chi tiết và trừu tượng thích hợp 36
3.2.5 Xác định tính cần thiết của mô hình mô phỏng 37
3.2.6 Ước lượng các tài nguyên cần thiết . . . . . 37
3.2.7 Thực hiện phân tích chi phí-lợi nhuận . . . . 37
3.2.8 Lậpbiểuđồkếhoạchchodựán 38
3.2.9 Lậpbáocáođềxuất 39
3.3 Thiếtkếnghiêncứu 39
3.3.1 Ướclượngvòngđờimôhình 40
3.3.2 Liệt kê những giả định 41
3.3.3 Ướctínhsốmôhìnhcầnthiết 41
MỤC LỤC iii
3.3.4 Xácđịnhyêucầuvềhìnhhọa 42

3.3.5 Lựachọncôngcụ 42
3.3.6 Xác định mức độ dữ liệu sẵn có và dữ liệu cần 42
3.3.7 Xácđịnhyêucầuvềnhânlực 43
3.3.8 Xác định nhóm người dùng 44
3.3.9 Xác định các nội dung chuyển giao . . . . . 44
3.3.10 Xác định các ưu tiên trong nghiên cứu . . . 45
3.3.11 Thiết lập các mốc thời gian quan trọng . . . 45
3.3.12 Lập bảng các tiêu chí kỹ thuật của dự án . . 46
3.4 Thiếtkếmôhìnhkháiniệm 46
3.4.1 Quyết định tính liên tục, rời rạc, hoặc kết hợp 47
3.4.2 Xác định các thành phần định hướng hệ thống 47
3.4.3 Xác định các thực thể biểu diễn hệ thống . . 48
3.4.4 Xác định mức độ chi tiết mô tả hệ thống . . 48
3.4.5 Xác định mức độ yêu cầu về đồ họa . . . . . 49
3.4.6 Xác định phương thức truyền tải các kết quả 49
3.5 Thiết lập đầu vào, giả định và định nghĩa quá trình 49
3.5.1 Xác định nguyên lý hoạt động của hệ thống 50
3.5.2 Môtảcácràngbuộccủahệthống 51
3.5.3 Môtảquátrìnhchitiết 51
3.5.4 Thu nhận các đặc tính kỹ thuật khi vận hành 51
3.5.5 Liệtkêtấtcảcácgiảđịnh 51
3.5.6 Phântíchdữliệuđầuvào 52
3.5.7 Định rõ các thông số thời gian chạy . . . . . 52
3.5.8 Lập bảng chi tiết các tiêu chí kỹ thuật . . . 52
3.5.9 Xácthựcmôhìnhkháiniệm 52
3.6 Dịch và liên kết, kiểm chứng và xác thực mô hình . 53
3.7 Thử nghiệm và thiết kế mô hình thực nghiệm . . . 54
3.8 Lậpbáocáovàtrìnhbàykếtquả 55
3.8.1 Sáchdựán 56
3.8.2 Tài liệu về đầu vào, đầu ra, mã chương trình 56

3.8.3 Cácđặctínhkỹthuậtcủadựán 57
3.8.4 Sách hướng dẫn sử dụng 57
iv MỤC LỤC
3.8.5 Sổbảohành 58
3.8.6 Thảo luận và giải thích về kết quả mô phỏng 58
3.8.7 Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo . . 58
3.8.8 Báo cáo và giới thiệu cuối cùng của dự án . 59
3.9 Địnhnghĩavòngđờicủamôhình 60
3.9.1 Xây dựng giao diện thân thiện với người dùng 60
3.9.2 Xác định mô hình và trách nhiệm đào tạo . 61
3.9.3 Thiết lập toàn vẹn dữ liệu và các bước thu thập 61
3.9.4 Thực hiện xác thực dữ liệu hiện trường . . . 61
4 Mô phỏng với Matlab Communication Toolbox 63
4.1 GiớithiệuvềMatlab 63
4.2 GiớithiệuCommunicationsToolbox 65
4.3 Khai thác các phần tử của hệ thống truyền thông . 66
4.4 Môphỏngmộthệthốngtruyềnthông 88
4.5 Mộtsốbàitập 98
4.5.1 Bàitập4.1 98
4.5.2 Bàitập4.2 98
4.5.3 Bàitập4.3 98
5 Mô phỏng với Simulink 99
5.1 GiớithiệuvềSimulinktrongMATLAB 99
5.2 Cáckhốicơbản 100
5.2.1 Các khối cơ bản thường dùng 100
5.2.2 Nhiệm vụ và chức năng các khối cơ bản . . 101
5.2.3 Mộtsốvídụ 105
5.3 Thưviệncáckhốiliêntục 108
5.3.1 Khốiđạohàm 108
5.3.2 Khốihàmtruyềnđạt 110

5.3.3 Khốiđiểmkhông-điểmcực 111
5.4 Mộtsốbàitậpvàhướngdẫngiải 114
5.4.1 Bàitập 114
5.4.2 Hướngdẫngiải 115
MỤC LỤC v
5.5 Thưviệncáckhốiphátvàhiểnthị 118
5.5.1 Thưviệncáckhốiphát 118
5.5.1.1 Khốihằngsố 118
5.5.1.2 Khốipháttínhiệu 118
5.5.1.3 Khốiphátxung 121
5.5.1.4 Khốitạosóngsin 121
5.5.1.5 Khốinhảybậc 123
5.5.2 Thưviệncáckhốihiểnthị 124
5.5.2.1 Khốihiểnthịdạngsóng 124
5.5.2.2 Khốihiểnthịsốliệu 125
5.6 Mộtsốbàitập 127
5.6.1 Bàitập5.3 127
5.6.2 Bàitập5.4 129
5.6.3 Bàitập5.5 130
5.6.4 Bàitập5.6 131
5.6.5 Bàitập5.7 133
6 Mô phỏng với Opnet 135
6.1 GiớithiệuOPNET 135
6.2 Môitrườnglàmviệc 138
6.3 MôphỏngvớiOPNETITGuru 140
6.4 TrìnhtựmôphỏngOPNET 141
6.5 Ví dụ mô phỏng một mạng Intranet đơn giản . . . 145
6.6 Mộtsốlưuý 158
6.7 Mộtsốbàitập 159
6.7.1 Bàitập6.1 159

6.7.2 Bàitập6.2 159
6.7.3 Bàitập6.3 160
7 Mô phỏng với Ansoft Designer 161
7.1 GiớithiệuvềcôngcụAnsoftDesigner 161
7.2 Một số ví dụ ứng dụng . . . 162
7.2.1 Thiết kế một mạch lọc thông thấp Chebyshev 162
vi MỤC LỤC
7.2.2 Thiết kế mạch dải λ/4 phối hợp trở kháng . 168
7.3 Mộtsốbàitập 184
7.3.1 Bàitập7.1 184
7.3.2 Bàitập7.2 185
Tài liệu tham khảo 187
Danh sách hình vẽ
2.1 Lược đồ xây dựng mô hình mô phỏng. 15
2.2 Quan hệ sai số-thời gian chạy-độ phức tạp của mô hình. 16
2.3 Phânloạicácmôhìnhmôphỏng 17
2.4 MôhìnhmôphỏngMonte-Carlo. 21
2.5 Biểu diễn phương pháp mô phỏng Monte-Carlo. . . . . 22
3.1 BiểuđồGantt 38
4.1 Sơđồkhốihệthốngmôphỏng. 68
4.2 Chuỗi bit phát ngẫu nhiên: trường hợp 40 bit đầu tiên. 70
4.3 Chuỗi thập phân biến đổi từ chuỗi bit ngẫu nhiên. . . . 71
4.4 Sơđồchòmsaotínhiệuthu/phát. 74
4.5 Sơ đồ chòm sao tín hiệu phát sử dụng ánh xạ tự nhiên. 78
4.6 Sơ đồ chòm sao tín hiệu phát sử dụng ánh xạ Gray. . . 79
4.7 ĐápứngxungcủabộlọcCosinenâng 81
4.8 Sơđồmẫumắtcủatínhiệu 82
4.9 Đồ thị tán xạ tín hiệu trước (·)vàsaukhilọc(×). . . 83
4.10 Sơ đồ bộ mã hóa tỉ lệ 2/3. . . . 85
4.11 Giao diện BERTool 92

4.12Kếtquảmôphỏng 93
4.13 Nhập các giá trị cho tính toán BER lý thuyết. . . . . . 93
4.14 So sánh kết quả BER lý thuyết và mô phỏng. . . . . . 94
vii
viii DANH SÁCH HÌNH VẼ
4.15 Phẩm chất BER theo các bậc điều chế khác nhau. . . . 98
5.1 Các khối cơ bản thường dùng. . 100
5.2 Tính v
C
(t) củamạchđiện 101
5.3 Sơ đồ nguyên lý cho phương trình (5.6) 103
5.4 Sơ đồ các khối trong Simulink cho phương trình (5.6). 103
5.5 Dạng sóng của v
C
(t) 104
5.6 SơđồkhốitíchphântrongSimulink. 104
5.7 Function Block Parameters cho khối tích phân liên tục. 105
5.8 MạchđiệnchoVídụ5.1 106
5.9 MôhìnhchoVídụ5.1 106
5.10DạngsónglốiracủaVídụ5.1. 107
5.11MôhìnhchoVídụ5.2 107
5.12Thưviệncáckhốiliêntục 108
5.13Sơđồkhốiđạohàm-Derivative. 109
5.14MôhìnhchoVídụ5.3 109
5.15 Dạng sóng đầu vào và đầu ra trong Ví dụ 5.3. . . . . . 109
5.16Sơđồkhốihàmtruyềnđạt-TransferFcn 110
5.17MạchđiệnchoVídụ5.4 111
5.18MôhìnhchoVídụ5.4 111
5.19 Sơ đồ khối điểm không - điểm cực - Zero-Pole. . . . . . 112
5.20 Khối điểm không - điểm cực - Zero-Pole dạng biến. . . 113

5.21 Khối điểm không - điểm cực - Zero-Pole dạng véc-tơ. . 113
5.22MôhìnhchoVídụ5.5 113
5.23DạngsóngđầuvàovàđầuracủaVídụ5.5 114
5.24MạchđiệnchoBàitập5.1 114
5.25MạchđiệnchoBàitập5.2 115
5.26MôhìnhchoBàitập5.1 116
5.27DạngsónglốiracủaBàitập5.1. 116
5.28 Mạch điện tương ứng trong miền s của Bài tập 5.2. . . 117
5.29MôhìnhchoBàitập5.2 117
5.30DạngsónglốiracủaBàitập5.2. 117
5.31Cáckhốiphát. 119
DANH SÁCH HÌNH VẼ ix
5.32Khốipháttínhiệu 119
5.33MôhìnhchoVídụ5.6 120
5.34CácdạngsóngcủaVídụ5.6. 120
5.35Khốiphátxung-PulseGenerator. 121
5.36MôhìnhchoVídụ5.7 121
5.37DạngsóngcủaVídụ5.7. 122
5.38 Khối tạo sóng sin -SineWave. 122
5.39MôhìnhchoVídụ5.8 123
5.40DạngsóngcủaVídụ5.8. 123
5.41Khốinhảybậc-Step. 124
5.42MôhìnhchoVídụ5.9 124
5.43DạngsóngcủaVídụ5.9. 125
5.44Khốihiểnthịdạngsóng-FloatingScope. 125
5.45 Cách dùng khối hiển thị dạng sóng - Floating Scope. . 126
5.46Khốihiểnthịsốliệu-Display 126
5.47MôhìnhchoVídụ5.10 127
5.48MôhìnhchoBàitập5.3 128
5.49KếtquảmôphỏngBàitập5.3. 128

5.50MôhìnhchoBàitập5.4 129
5.51DạngsóngcủaBàitập5.4. 130
5.52MôhìnhchoBàitập5.5 131
5.53DạngsóngcủaBàitập5.5. 131
5.54MôhìnhchoBàitập5.6 132
5.55DạngsóngcủaBàitập5.6. 132
5.56MôhìnhchoBàitập5.7 134
5.57DạngsóngcủaBàitập5.7. 134
6.1 GiaodiệnkhởitạocủaOPNETITGuru. 137
6.2 MôitrườnglàmviệccủaOPNETITGuru 138
6.3 ThanhcôngcụcủaOPNETITGuru. 139
6.4 TrìnhtựmôphỏngtrongOPNET. 142
6.5 Mô hình mạng với các thành phần cần thiết lập . . . . 146
6.6 Môitrườngkhởitạobanđầu. 148
x DANH SÁCH HÌNH VẼ
6.7 Thiết lập các tham số với Switch trung tâm của Cisco. 149
6.8 KếtnốiEthernetservervớimạng 150
6.9 Càiđặtcácđốitượngđịnhnghĩalưulượng. 151
6.10LựachọntảiserverlàmIndividualStatisics 152
6.11 Lựa chọn tải trễ Ethernet làm Global Statistics. . . . . 152
6.12Thiếtlậpthờigianvàchạymôphỏng. 153
6.13XemkếtquảmôphỏngServerLoad(bit/s) 154
6.14XemkếtquảmôphỏngEthernerDelay(s). 155
6.15XemkếtquảmôphỏngEthernerDelay(s). 156
6.16Chạymôphỏngchongữcảnh2 157
6.17ChọnsosánhkếtquảServerLoad. 158
6.18ChọnsosánhkếtquảEthernetDelay. 158
6.19 Tổng hợp kết quả mô phỏng của cả hai ngữ cảnh. . . . 159
7.1 MenuViewmởcáccửasổcầnthiết. 163
7.2 Chọn “Insert Filter Design” trong menu "Project". . . 163

7.3 Đánhdấuchọncáclinhkiện. 164
7.4 Chọngiátrịcáclinhkiện. 165
7.5 Sơđồmạchlọc 167
7.6 Sơ đồ "series inductor version" và kết quả mô phỏng. . 168
7.7 Sơ đồ "parallel capacitor version" và kết quả mô phỏng. 168
7.8 Bảngcácbảnmạchnền 169
7.9 Cửasổ"CircuitEditor"vàthanhcôngcụ 170
7.10Biểutượng"InterfacePort" 171
7.11Chọn“MicrowavePort”. 171
7.12Chuyểnsangthẻ“Components” 172
7.13Mởmục“Lumped”và“Resistors” 172
7.14 Nối đất (Ground). 173
7.15 Chọn đường truyền mạch dải trong "Transmission Lines".174
7.16Nốidâyvới"MicrowavePort"vàđiệntrở 174
7.17 Nhấp vào “TRL” để mở “Microstrip-Calculator”. . . . . 175
7.18Tínhtoánđườngtruyềnmạchdải. 176
7.19Tínhtoánhiểnthịcạnhđườngmạchdải 176
DANH SÁCH HÌNH VẼ xi
7.20ChọnAnalysisđểthiếtlậpmôphỏng. 177
7.21Cửasổ"Analysis". 178
7.22Cửasố"LinearNetworkAnlysis" 178
7.23Thiếtlậpcácthôngsốquét 179
7.24 Phân tích mạch với "Analysis" và báo cáo với "Report". 180
7.25Lựachọnthamsốvẽđồthị 181
7.26 Đồ thị biểu diễn S
11
182
7.27 Đánh dấu các điểm đặc biệt (S
11
cựctiểu) 182

7.28LựachọnbiểudiễngiảnđồSmith. 183
7.29BiểudiễnkếtquảtrêngiảnđồSmith. 183
Danh sách bảng
3.1 Bảngcáctiêuchíkỹthuậtcủadựán 35
3.2 Nội dung đề xuất cho dự án mô phỏng 39
3.3 Nội dung bản báo cáo kết thúc dự án mô phỏng . . . . 59
4.1 Các chức năng chính của Communications Toolbox . . 67
4.2 Các hàm sử dụng trong Ví dụ 1 68
xii
Giới thiệu
Cuốn giáo trình này được xây dựng với mục tiêu chính là cung
cấp một tài liệu tiếng Việt phục vụ cho môn học "Mô hình hóa và
mô phỏng", một môn học bắt buộc trong Khung chương trình đào
tạo cử nhân ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông,
Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.
Nội dung của giáo trình ngoài việc cung cấp các kiến thức cơ
bản còn là các kiến thức về ứng dụng mô phỏng trong thực tiễn
với các bước cơ bản trong giải quyết các bài toán mô phỏng cụ thể.
Một số công cụ mô phỏng đang được dùng trong thực hành môn
học cũng được chọn lọc để trình bày trong giáo trình này.
Cấu trúc của giáo trình gồm bảy chương:
Phần 1: Các kiến thức cơ sở, gồm có:
Chương 1. Mở đầu: cung cấp một số khái niệm cơ bản nhất về
mô hình hóa và mô phỏng;
Chương 2. Các mô hình và phương pháp mô phỏng: phân loại
các mô hình và phương pháp mô phỏng;
Chương 3. Phương pháp luận mô phỏng: trình bày các bước cần
thực hiện trong việc áp dụng phương pháp mô phỏng để giải các
bài toán trên thực tế (dự án mô phỏng).
Phần 2: Một số công cụ mô phỏng phổ biến, gồm có:

Chương 4. Mô phỏng với Matlab Communication Toolbox: giới
thiệu và ứng dụng Matlab Communication Toolbox trong mô phỏng;
1
2 GIỚI THIỆU
Chương 5. Mô phỏng với Simulink: giới thiệu và ứng dụng
Simulink trong mô phỏng;
Chương 6. Mô phỏng với Opnet: giới thiệu và ứng dụng Opnet
trong mô phỏng mạng truyền thông;
Chương 7. Mô phỏng với Ansoft Designer: giới thiệu và ứng dụng
Ansoft Designer trong thiết kế và mô phỏng mạch và hệ thống cao
tần;
Trong bảy chương sách nói trên, tác giả Trương Vũ Bằng Giang
là chủ biên cuốn sách và đồng thời biên soạn các chương: 1, 3, 5 và
7. Tác giả Trần Xuân Nam biên soạn các chương: 2, 4 và 6.
Ngoài việc phục vụ cho sinh viên ngành Công nghệ Điện tử -
Viễn thông tại Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà
Nội, cuốn sách này cũng có thể là tài liệu tham khảo cho sinh viên,
học viên các ngành kỹ thuật khác.
Nhóm tác giả chân thành cảm ơn ThS. Nguyễn Tiến Hòa,
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hỗ trợ việc chuẩn bị các
chương trình cho các bài tập Simulink ở Chương 5. Cảm ơn PGS.
TS. Nguyễn Văn Đức, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; PGS.
TS. Trần Xuân Tú, TS. Nguyễn Nam Hoàng, Trường Đại học Công
nghệ; TS. Lê Nhật Thăng, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn
thông đã đọc bản thảo cuốn sách và đóng góp các ý kiến quý báu
để các tác giả hoàn thành cuốn sách này.
Mặc dù cũng đã đầu tư thời gian thích hợp nhưng chắc chắn
không tránh khỏi các thiếu sót. Nhóm tác giả mong muốn nhận
được ý kiến góp ý cả về nội dung lẫn hình thức từ bạn bè, đồng
nghiệp cùng sinh viên để cuốn giáo trình này được hoàn thiện hơn.

Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2012
Thay mặt nhóm tác giả
Trương Vũ Bằng Giang
Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
Chương 2
Các mô hình và phương pháp
mô phỏng
2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng
Công đoạn đầu tiên trong việc phát triển một chương trình mô
phỏng của một hệ thống là thiết kế mô hình mô phỏng của hệ
thống đó. Mô hình thường được biểu diễn ở dạng toán học mô tả
mối quan hệ vào/ra của hệ thống. Nghệ thuật của mô hình hóa là
phát triển mô hình hoạt động có chứa đầy đủ các tính năng cần
thiết nhưng lại không quá phức tạp để có thể thực hiện được bằng
các máy tính thông dụng. Yêu cầu này đòi hỏi phải có sự cân đối
giữa tính chính xác, độ phức tạp và yêu cầu tính toán của mô hình.
M« h×nh
m« pháng
PhÇn
cøng
M« h×nh
gi¶i tÝch
Hình 2.1: Lược đồ xây dựng mô hình mô phỏng.
15
16 CHƯƠNG 2. CÁC MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
Đối với một quá trình mô phỏng, thông thường có hai mô hình
được xây dựng: mô hình giải tích (phân tích) và mô hình mô phỏng
như biểu diễn trên Hình 2.1. Cả hai mô hình này đều mô tả tính
trừu tượng của hệ thống. Mô hình giải tích (phân tích) thường biểu
diễn ở dạng công thức toán học hay các hệ phương trình xác định

mối quan hệ vào/ra của hệ thống. Các công thức và các phương
trình này thường mô tả một phần hệ thống, và có độ chính xác trong
một phạm vi nào đó. Mô hình mô phỏng trên máy tính thường là
một tập hợp của các thuật toán để giải các phương trình trong mô
hình giải tích (phân tích). Các phương pháp số được sử dụng để
thực hiện công việc này.
Saisèm«h×nh
Thêi gian m« pháng
Cao
Dµi
Ng¾n
ThÊp
§é phøc t¹p M« h×nh
Cao
ThÊp
Sai sè vs §é phøc t¹p
Thêi gian m« pháng
vs §é phøc t¹p
Vïng ho¹t ®éng
thùc tÕ
Hình 2.2: Quan hệ sai số-thời gian chạy-độ phức tạp của mô hình.
Mối quan hệ giữa sai số mô hình, độ phức tạp và thời gian mô
phỏng được biểu diễn ở Hình 2.2. Chúng ta có thể thấy rằng một
mô hình có độ phức tạp thấp có sai số mô hình hóa lớn, nhưng lại
yêu cầu thời gian chạy mô phỏng ngắn. Ngược lại, mô hình có độ
phức tạp lớn có sai số nhỏ nhưng lại yêu cầu thời gian mô phỏng
dài.
2.2 Phân loại các mô hình mô phỏng
Mô hình mô phỏng có thể được phân loại theo nhiều cách khác
nhau như mô tả trên Hình 2.3. Mô hình mô phỏng có thể phân loại

2.2. PHÂN LOẠI CÁC MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 17
thành hai loại:
• Mô hình mô phỏng xác định (Deterministic model).
• Mô hình mô phỏng ngẫu nhiên (Stochastic model).
Liên tục theo thời gian
Rời rạc theo thời gian
Mô hình ngẫu nhiên
Mô phỏng Monte -Carlo
Mô hình xác định
Hình 2.3: Phân loại các mô hình mô phỏng.
Một mô hình mô phỏng được xem là xác định nếu nó không
chứa các biến ngẫu nhiên. Vì vậy, một tập hợp các giá trị cho trước
ở các đầu vào sẽ cho một tập kết quả duy nhất ở đầu ra. Các mô
hình mô phỏng xác định thường gặp trong trường hợp mô phỏng
các mạch điện được thiết kế sử dụng một chương trình thiết kế, ví
dụ SPICE. Do mạch điện cố định và tín hiệu đầu vào là xác định
nên mỗi lần chạy mô phỏng sẽ cho cùng một kết quả. Trong trường
hợp này mô phỏng thực hiện trên các mô hình xác định được sử
dụng để tiết kiệm thời gian và tránh các lỗi toán học do phải thực
hiện các phép toán dài và nhàm chán.
Ngược lại, mô hình mô phỏng ngẫu nhiên có chứa một hay nhiều
biến ngẫu nhiên. Ví dụ, mô phỏng một hệ thống truyền dẫn vô tuyến
trong đó kênh truyền có đặc tính ngẫu nhiên. Đối với mô hình này,
mặc dù với cùng một tập giá trị đầu vào xác định thì mô hình vẫn
cho các kết quả khác nhau sau mỗi lần mô phỏng. Đối với trường
18 CHƯƠNG 2. CÁC MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
hợp này, để đánh giá phẩm chất hệ thống cần thực hiện mô phỏng
nhiều lần và lấy giá trị trung bình.
Chúng ta cũng có thể phân loại các mô hình mô phỏng thành:
• Mô hình mô phỏng tĩnh (Static model).

• Mô hình mô phỏng động (Dynamic model).
Mô hình mô phỏng tĩnh biểu diễn hệ thống tại một thời điểm
cụ thể hay một mô hình trong đó thời gian không phải là tham số
đáng quan tâm. Trong khi đó mô hình mô phỏng động biểu diễn
các hệ thống khi chúng biến đổi theo thời gian.
Ngoài ra, nếu mô hình thay đổi liên tục và đều chúng ta có mô
hình mô phỏng liên tục. Ngược lại nếu mô hình biến đổi theo các
bước gia tăng thì mô hình trở thành mô hình mô phỏng rời rạc.
Mô hình rời rạc tương tự như một bộ phim trong đó các khung ảnh
được biến đổi với tốc độ nhanh (30 khung/s) làm cho người xem
có cảm giác chuyển động. Tuy nhiên, trong một vở kịch biểu diễn
trực tiếp thì các cảnh diễn là liên tục. Tương tự như trường hợp
làm phim, chúng ta thường phát triển các mô hình mô phỏng rời
rạc để biểu diễn các tình huống liên tục.
2.3 Các phương pháp mô phỏng
Có hai loại mô phỏng cơ bản: mô phỏng xác định và mô phỏng
ngẫu nhiên. Mô phỏng xác định thường gặp trong trường hợp mô
phỏng các mạch điện được thiết kế sử dụng một chương trình thiết
kế, ví dụ như SPICE. Chương trình này được sử dụng để tạo ra
một mạch điện và cấp dòng đầu vào. Chương trình mô phỏng tạo
ra dòng điện chạy ở các nhánh của mạch điện và điện áp qua từng
phần tử. Điện áp và dòng điện thường được biểu diễn bởi các dạng
sóng. Khoảng thời gian mong muốn của các dạng sóng này được
xác định trước khi chạy mô phỏng. Do mạch điện là cố định và tín
hiệu đầu vào là xác định nên mỗi lần chạy mô phỏng sẽ cho cùng
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 19
một kết quả. Trong trường hợp này, mô phỏng được sử dụng để
tiết kiệm thời gian và tránh các lỗi toán học do phải thực hiện các
phép toán dài và nhàm chán.
Nếu giả thiết đầu vào của hệ thống là một dạng sóng ngẫu

nhiên, nói chính xác là nếu đầu vào hệ thống là một hàm mẫu của
một quá trình ngẫu nhiên, thì một cách tương đương có thể coi trở
kháng của điện trở là một biến ngẫu nhiên xác định bởi một hàm
mật độ xác suất xác định. Kết quả của mô phỏng này sẽ không còn
là một dạng sóng xác định và các mẫu của dạng sóng này sẽ tạo
nên một tập hợp của các biến ngẫu nhiên. Các mô phỏng trong đó
xuất hiện các giá trị ngẫu nhiên được gọi là các mô phỏng ngẫu
nhiên.
Để lấy ví dụ, chúng ta giả thiết điện áp qua một phần tử mạch
điện được ký hiệu là e(t) và mô phỏng được sử dụng để tạo ra e(t)
trong khoảng thời gian 1ms, tức là e(0, 01). Trong mô phỏng xác
định thì e(0, 01) không đổi và chúng ta có kết quả như nhau sau
mỗi lần mô phỏng.
Một ví dụ khác là hệ thống truyền dẫn số trong đó tín hiệu
thu bao gồm tín hiệu phát cộng tạp âm ngẫu nhiên. Giả thiết rằng
nhiệm vụ của chúng ta là tính xác suất lỗi dấu tại đầu ra máy thu.
Từ lý thuyết truyền dẫn chúng ta biết rằng đối với truyền dẫn tín
hiệu BPSK (Khóa dịch pha nhị phân - Binary Phase Shift Key-
ing) qua kênh AWGN (Nhiễu Gauss trắng cộng - Additive White
Gaussian Noise), thì xác suất lỗi dấu là
P
E
= Q


2E
b
N
0


(2.1)
trong đó, E
b
là năng lượng dấu, N
0
là mật độ phổ công suất tạp
âm một phía và Q(x) là hàm Q Gauss được định nghĩa bởi
Q(x)=
1
2π

∞
x
exp

−
y
2
2

(2.2)
20 CHƯƠNG 2. CÁC MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
Để ý rằng P
E
là một số chứ không phải một biến ngẫu nhiên,
mặc dù tạp âm ngẫu nhiên xuất hiện ở đầu vào máy thu. Số P
E
là
một giá trị trung bình sau một số lần thử vô hạn, trong đó mỗi lần
thử bao gồm việc gửi một số dấu số đi qua hệ thống và quan sát kết

quả đầu ra. Tất nhiên là kết quả có thể là chính xác hoặc là một lỗi
ở đầu ra. Đối với các quá trình Ergodic (dừng), chúng ta có thể xác
định xác suất lỗi bằng hai cách. Chúng ta có thể xem một bit được
truyền và tính P
E
như là trung bình tập hợp (ensemble average),
trong đó chúng ta có một tập hợp (ensemble) của các dạng sóng
tạp âm có cùng tính chất thống kê. Một cách khác là chúng ta có
thể xác định P
E
như là trung bình thời gian bằng cách truyền vô
hạn các dấu nhị phân và sử dụng hàm mẫu đơn của tạp âm. Điểm
mấu chốt là chúng ta tính P
E
dựa trên một số vô hạn các dấu nhị
phân phát đi. Nếu thay vì xác định P
E
dựa trên một số vô hạn
các dấu phát, chúng ta ước lượng P
E
dựa trên một số vô hạn các
dấu phát, ước lượng P
E
sử dụng một số hữu hạn các dấu nhị phân
phát, ta sẽ tìm được rằng ước lượng của P
E
thực tế là một biến
ngẫu nhiên do mỗi hàm mẫu có khoảng hữu hạn sẽ tạo nên một giá
trị khác nhau (mong muốn là không nhiều lắm) cho xác suất lỗi.
Điều này sẽ được trình bày ở phần sau khi xem xét phương pháp

Monte-Carlo.
2.4 Mô phỏng Monte-Carlo trong truyền
thông số
Mô phỏng Monte-Carlo là một phương pháp mô phỏng ngẫu
nhiên được sử dụng để đánh giá sự lặp lại chất lượng của một mô
hình xác định sử dụng các tập biến đầu vào ngẫu nhiên. Phương
pháp mô phỏng Monte-Carlo được bắt nguồn từ trò chơi may rủi
được các casino tạo ra bằng các bộ tạo số ngẫu nhiên cơ khí. Tên
gọi Monte-Carlo được lấy từ tên gọi của thành phố quê hương nổi
tiếng của các sòng bạc Monte-Carlo. Kỹ thuật Monte-Carlo về bản
2.4. MÔ PHỎNG MONTE-CARLO TRONG TRUYỀN THÔNG SỐ 21
chất là phương pháp mô phỏng một thí nghiệm ngẫu nhiên sử dụng
các công cụ nhân tạo, tức là không yêu cầu phải lặp lại thí nghiệm
vật lý hoàn toàn.
Trong truyền thông số, mô phỏng đòi hỏi phải tạo ra các mẫu
có các dạng sóng khác nhau, xử lý các mẫu tín hiệu này qua các
mô hình với các khối chức năng trong hệ thống, và ước lượng phẩm
chất hệ thống từ các mẫu tín hiệu đầu ra tại các điểm trong mô
hình. Trường hợp phổ biến trong truyền thông số là sử dụng mô
phỏng Monte-Carlo để ước lượng tỉ số lỗi bit (BER).
HÖ thèng
truyÒn dÉn
vt()
wt()
ut()
yt()
Hình 2.4: Mô hình mô phỏng Monte-Carlo.
Giả thiết chúng ta có mô hình một hệ thống truyền dẫn được
mô tả bởi các tín hiệu đầu vào u(t), v(t),vàw(t) là các quá trình
ngẫu nhiên. Mục tiêu của chúng ta là đi tìm các đặc tính thống

kê của y(t) hay giá trị kỳ vọng của một hàm G{y(t)} nàođócủa
y(t). Nếu chúng ta giải bài toán này bằng cách giả lập hệ thống
trong đó tất cả các dạng sóng biến đổi theo thời gian, chúng ta sẽ
có một mô phỏng "thuần" Monte-Carlo. Điều này hàm ý việc tạo
ra các mẫu của tất cả các quá trình đầu vào, cho các mô hình của
các khối chức năng trong hệ thống làm việc với các mẫu đầu vào
này, rồi quan sát các dạng sóng đầu ra. Trong trường hợp lý tưởng,
mô phỏng Monte-Carlo tương ứng với hệ thống thực trong phạm
vi giới hạn của các giả thiết mô hình hóa và phép tính xấp xỉ. Giá
trị kỳ vọng E[G{y(t)}] được ước lượng từ mô phỏng Monte-Carlo
theo công thức sau:
E[
ˆ
G{(y(t)}]=
1
N
N

k=1
G{y(k)} (2.3)
22 CHƯƠNG 2. CÁC MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
trong đó, dấu mũ biểu diễn giá trị ước lượng và N là số mẫu sử
dụng mô phỏng.
Hình 2.5: Biểu diễn phương pháp mô phỏng Monte-Carlo.
Trong trường hợp mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn số
điển hình, sơ đồ mô tả việc thực hiện mô phỏng Monte-Carlo để
ước lượng tỉ lệ lỗi bit BER hay tỉ lệ lỗi dấu SER được biểu diễn
ở Hình 2.5. Mô phỏng Monte-Carlo được tiến hành theo các bước
sau đây:
• Tạo các mẫu của chuỗi bit đầu vào b(k),k =1, 2, , N, và các

mẫu tạp âm z(k),k =1, 2, , N.
• Xử lý các mẫu này qua mô hình các khối chức năng của hệ
thống cần mô phỏng và tạo một chuỗi đầu ra
˜
b(k).
• Ước lượng tỉ số lỗi theo công thức sau:
ˆ
P
e
=
1
N
N

k=1
G{
˜
b(k)} (2.4)
2.4. MÔ PHỎNG MONTE-CARLO TRONG TRUYỀN THÔNG SỐ 23
trong đó, G{
˜
b(k)} =1nếu
˜
b(k) = b(k) và G(y(k)) = 0 nếu
˜
b(k) = b(k),tứclàG{
˜
d(k)} là hàm tính lỗi.
Độ chính xác của các ước lượng thu được từ mô phỏng Monte-
Carlo sẽ phụ thuộc vào thủ tục ước lượng sử dụng, kích thước mẫu

N, khả năng tái tạo chính xác các mẫu đầu vào, và các giả thiết
mô hình hóa và phép tính xấp xỉ.
Quan hệ giữa tính chính xác và số lượng mẫu
Để đánh giá phẩm chất của một hệ thống truyền thông số, mô
phỏng Monte-Carlo thường được sử dụng để ước lượng tỉ số BER.
Như đã thảo luận ở các phần trên, để có ước lượng chính xác của
BER, chúng ta cần tăng số lượng bit gửi đi N đến vô cùng (∞).
Tuy nhiên, việc tăng số lượng bit gửi đi đồng nghĩa với thời gian
chạy mô phỏng sẽ lâu hơn. Vì vậy, để có được sự thỏa hiệp giữa
độ chính xác của kết quả mô phỏng và thời gian chạy mô phỏng,
chúng ta mong muốn tìm được số lượng bit cần gửi đi N tương ứng
với giá trị BER mong muốn có độ chính xác cho phép. Chúng ta sẽ
nghiên cứu tìm ra số bit N này thông qua trường hợp dưới đây.
Xét một hệ thống truyền dẫn đơn giản chịu ảnh hưởng của tạp
âm. Giả thiết tín hiệu s phát đi là một hằng số và tạp âm z là một
biến ngẫu nhiên Gauss với giá trị trung bình bằng 0, phương sai
σ
2
z
=1. Do tạp âm z là ngẫu nhiên nên tín hiệu thu được
y = s + z (2.5)
là một biến ngẫu nhiên. Để đơn giản ta xét trường hợp s>0, tương
đương với trường hợp gửi đi một bit thông tin ở mức điện áp cao.
Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy y cũng là một biến ngẫu nhiên
Gauss với giá trị trung bình s và phương sai σ
2
y
=1.
Giả thiết là chúng ta cần sử dụng mô phỏng Monte-Carlo để
ước lượng xác suất thu được y<0 khi phát đi một tín hiệu s>0