Nâng cao tốc độ truyền tin trong một kênh nước biển nông thuộc vịnh Bắc Bộ của Việt Nam dùng điều chế OFDM

Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Nâng cao tốc độ truyền tin trong một kênh nước biển
nông thuộc vịnh Bắc Bộ của Việt Nam
dùng điều chế OFDM
Trần Cao Quyền
Khoa Điện tử-Viễn Thông,
Trường Đại Học Cơng Nghệ (ĐHQGHN)
Email:
bằng phần mềm là chính. Chính vì tất cả các ưu điểm trên dẫn
đến xem xét sử dụng điều chế OFDM cho kênh thủy âm. Các
nghiên cứu theo hướng này trên thế giới có thể kể đến như [58].

Abstract— Bài báo này giới thiệu về truyền tin quy mô nhỏ trong
một kênh nước biển nông thuộc vịnh Bắc Bộ của Việt Nam, với
độ sâu dưới 50 m, cự ly 1km. Độ phân tán thời gian (độ trải trễ)
tối đa trong kênh giả thiết là 10 ms, độ phân tán tần số tối đa
(dịch tần Doppler cực đại) là 9Hz ứng với vận tốc cơ bản vài m/s
của các thiết bị chuyển động dưới nước (không phải tàu ngầm).
Các tính tốn giải tích và mơ phỏng sử dụng điều chế ghép theo
tần số trực giao (OFDM) với tần số sóng mang 9KHz được đưa
ra. Các kết quả đã chứng minh tính hiệu quả của sử dụng điều
chế OFDM trong loại hình kênh này, tốc độ truyền tin có thể đạt
được tới 13Kbps

Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: trong phần
II, chúng tôi miêu tả thềm lục địa vịnh Bắc Bộ. Phần III, mơ
hình kênh nước biển nông được giới thiệu. Thiết kế hệ thống
cho ở Phần IV. Phần V là các kết quả mô phỏng. Cuối cùng là
kết luận bài báo.

II.

Keywords- Kênh nước biển nông, OFDM, độ trải trễ, dịch tần
Doppler, SONAR(định vị và đo xa dùng sóng âm).

I.

Theo [1] thì thềm lục địa vịnh Bắc Bộ bao gồm toàn bộ đáy
vịnh Bắc Bộ kéo xuống tới vĩ độ 16o00’ Bắc ngang Đà Nẵng.
Thềm lục địa ở đây dạng một lòng chảo chạy ép sát về phía
đảo Hải Nam và có sườn máng dốc hơn về phía Việt Nam. Độ
sâu trung tâm vịnh đạt tới 70-80 m, vùng cửa vịnh khoảng
100m và ở rìa thềm lục địa khoảng 200 m.
Hầu hết diện tích thềm lục địa có góc dốc 2’-5’. Mức độ
chia cắt sâu nhỏ. Chiếm ưu thế ở đây là các dạng địa hình âm
dạng máng trũng đan nhau kiểu phân nhánh. Chúng có hướng
dốc về phía vịnh Bắc Bộ và là dấu vết của thung lũng cổ. Nơi
gặp nhau của các máng này là các hố trũng, đôi khi sâu đến
108 m như đã phát hiện ở phía ngồi khơi đảo Cồn Cỏ 120 km
về phía Đơng Bắc. Các dạng địa hình dương thường là các
mỏm đá ngầm, các vết lộ của các cồn đá cổ cịn sót lại, chúng
phân bố ven bờ và quanh các đảo như Bạch Long Vĩ.,
Trong bài báo này chúng tơi chỉ mới khảo sát địa hình vịnh
Bắc Bộ, tuy nhiên nước ta cịn có 03 vùng biển khác là Trung
Bộ, Đông Nam Bộ và Tây Nam.

GIỚI THIỆU

Như chúng ta đã biết Việt Nam là một quốc gia biển, biển
của ta là một phần của biển Đông. Theo Công ước Luật Biển

năm 1982 [1], vùng đặc quyền kinh tế mở rộng tới khoảng cách
tối đa 200 hải lý (1 hải lý = 1.852 m) tính từ đường cơ sở.
Nước CHXHCN Việt Nam có chủ quyền hồn tồn về thăm
dò, khai thác, bảo vệ và quản lý tất cả các tài nguyên thiên
nhiên, sinh vật và không sinh vật ở vùng nước, ở đáy biển và
trong lòng đất dước đáy biển của vùng đặc quyền về kinh tế
của Việt Nam. Hiện nay sự quan tâm nghiên cứu về biển và
đảo đang có tính thời sự, có ý nghĩa kinh tế, xã hội và an ninh
quốc phịng. Trong đó nghiên cứu về truyền tin dưới nước
đóng một vai trị quan trọng.
Đặc điểm của truyền tin dưới nước cho một loại kênh phức
tạp, chịu phân tán cả về tần số và thời gian nặng [2]. Các
nghiên cứu gần đây về sử dụng điều chế khóa dời tần số (FSK)
ở Mỹ đã có một số kết quả nhất định, đặc biệt về giảm giá
thành thiết bị [3]. Tuy nhiên vẫn còn bị hạn chế về mặt tốc độ
truyền tin, chỉ đạt 5400 bauds. Mặt khác kỹ thuật điều chế
OFDM cho phép truyền song song các sóng con nên tốc độ
truyền tin có thể tăng lên tuyến tính theo số sóng con sử dụng.
Việc kéo dài độ rộng ký hiệu phát giảm ảnh hưởng của kênh
quy mô nhỏ từ Fading lựa chọn tần số thành Fading phẳng.
Dùng tiền tố vòng (CP) làm cho hệ thống có khả năng kháng
Fading cao hơn, thay vì mất tồn bộ thơng tin thì chỉ có một số
bit bị ảnh hưởng [4]. Các bộ biến đổi biến đổi Fourier nhanh
thuận/ ngược (FFT, IFFT) cho phép thực thi hệ thống OFDM

III.

MƠ HÌNH KÊNH NƯỚC BIỂN NƠNG

A. Mơ hình kênh nước biển nơng

Ta biết rằng vận tốc sóng âm trong nước biển thay đổi theo
độ sâu, phụ thuộc vào nhiệt độ, khí quyển, áp suất và độ mặn
của nước biển. Tại các kênh nước sâu khi có các lớp đảo nhiệt
độ thì vận tốc âm cũng biến đổi tạo nên các hiện tượng khúc
xạ dương (tia sóng bị bẻ cong lên trên) hay khúc xạ âm (tia
sóng bị bẻ cong xuống dưới).

318

ISBN: 978-604-67-0635-9

THỀM LỤC ĐỊA VỊNH BẮC BỘ

318


Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

trong [2] mô tả đáp ứng xung kênh thủy âm với các tham số
f  5,10,15 KHz và dải thơng 5KHz . Đáp ứng xung này
có 5 tap ứng với kết quả đo của 5 đường đầu tiên, đường trực
tiếp có cơng suất lớn nhất, đường thứ hai suy giảm một nửa so
với đường thứ nhất, các đường sau đóng góp ít hơn nữa vào
kết quả (Hình 2). Trong bài báo này chúng tôi sử dụng các kết
quả này là nguồn tham khảo cơ bản khi chưa có điều kiện tiến
hành các phép đo trên thực địa.

Tuy nhiên trong kênh nước biển nơng thì tốc độ âm có thể
coi là hằng số. Chính vì vậy hiện tượng chính chi phối các

kênh nước nông là phản xạ âm tại bề mặt, đáy biển và vật thể.

1.5

Dap ung xung cua kenh

Kenh thuy am voi f=5,10,15KHz, bang thong 5KHz

Hình 1. Mơ hình đa đường trong kênh nước nơng

Chúng tơi tiếp tục khảo sát kênh thủy âm với cự ly 1 km giống
như ở [9] và cũng để tiện cho tiến hành các thực nghiệm sau
này.
Đồng thời khi quan sát kênh thủy âm trên quy mô nhỏ, ta
cần quan tâm đến 03 yếu tố quan trọng: băng thông, trải trễ đa
đường tối đa và dịch tần Doppler cực đại.
A1. Băng thông
Do sử dụng sóng âm là phương tiện mang nên dải tần sẽ
rất hẹp, thông thường khoảng 5KHz. Trước đây Mỹ dùng các
thiết bị SONAR dải siêu âm, tuy nhiên xu thế hiện nay họ
chuyển sang dung các thiết bị âm tần với dải tần 0-20KHz
[10].

lp
c

0

1

2

3
4
Do tre(don vi=10ms)

5

6

7

Hình 2. Đáp ứng xung của kênh thủy âm với f=5,10,15 KHz, băng
thông 5KHz (tài liệu [2]).

A3. Dịch tần Doppler
Do có sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu
trong kênh thủy âm nên xảy ra hiện tượng dịch tần Doppler.
Chính vì thế ta ln phải tính tốn đến các dạng méo gây ra do
loại chuyển động này trong các thiết kế, đặc biệt trong các
thuật toán đồng bộ. Biên độ của hiệu ứng Doppler tỉ lệ với hệ
số

v
a  , trong đó v là vận tốc tương đối giữa Tx và Rx, c là
c

vận tốc sóng âm.
Để có thể so sánh ta xét một hệ thống vô tuyến di động tốc

,

độ cao, v=160 km/h thì ta có a  1.5  10

với c là vận tốc âm. Các đường phản xạ đến Rx sẽ trễ một giá

l
trị thời gian  i  i  t0 so với đường tham chiếu trực tiếp. Độ
c

7

[2], dịch tần

Doopler tương ứng là a. f c (với fc là tần số sóng mang). Giá
trị này nhỏ cho phép ta bỏ qua các ảnh hưởng lên đồng bộ ký
hiệu. Tuy nhiên xét kênh thủy âm, thì vận tốc sóng âm cơ bản
chỉ 1500 m/s nên nếu một thiết bị chuyển động dưới nước

phân tán thời gian tối đa (độ trải trễ tối đa) xét ở đây là 10 ms,
là một giá trị thường được quan sát trong kênh thủy âm [2].
Vì mục tiêu của bài báo là nghiên cứu truyền tin quy mô
nhỏ nên đối tượng quan sát là đáp ứng xung của kênh thủy âm.
Nếu gọi hi là độ lợi của đường thứ i thì đáp ứng xung đơn
giản của kênh thủy âm có thể biểu diễn là

h(t )   hi (t   i )

0.5

0

A2. Trải trễ đa đường
Ở phía thu ngồi đường trực tiếp còn nhận các đường phản
xạ từ hai biên (mặt và đáy biển) tạo ra hiện tượng đa đường.
Chặt chẽ mà nói thì có vơ số đường, nhưng chúng chịu phản
xạ nhiều lần và mất hết năng lượng nên bị bỏ qua, chỉ cịn lại
một số hữu hạn các đường chính.
Giả thiết cự ly truyền giữa Tx (phát) và Rx (thu) là lp. Đường
khỏe nhất truyền trực tiếp qua đoạn lp mất thời gian t0 

1

3

(không phải tàu ngầm) với vận tốc vài m/s thì hệ số a  10 .
Trong trường hợp sử dụng sóng siêu âm thì ta khơng thể bỏ
qua các giá trị dịch tần Doppler này.
Tóm lại kênh nước biển nơng có các đặc điểm như ở Bảng I
sau

(1)

Trên thực tế hi của một kênh thủy âm là một hàm của tần số.
Theo thơng lệ thì chúng ta có thể mơ tả kênh này như một
bộ lọc có đáp xung hữu hạn (FIR) (số tap hữu hạn), trong
đó đặc tính chọn lọc theo tần số thể hiện độ méo dạng của tín
hiệu do ảnh hưởng của kênh truyền. Trong Hình 3,4 và 5

319

319


HộiHội
Thảo
Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Việc chọn khoảng phân cách sóng con 17,6 Hz để trong điều
kiện xấu nhất hệ thống chịu ảnh hưởng dịch tần Doppler
chiếm khoảng 50% phân cách sóng con. Chọn tham số như vậy
cũng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng các kỹ thuật
bù khử dịch tần Doppler cần thiết.
Từ các tham số hệ thống OFDM ở Bảng II ta có thể tính
được tốc độ lý thuyết của hệ thống OFDM là

Bảng I. Tham số kênh nước biển nông

Tham số
Băng thông (B)

Giá trị
5KHz
10 ms

Trải trễ tối đa (  m )
Dịch
đại(

tần

f m  a. f

Doppler

cực

10-3x9000Hz=9Hz

c)

Đáp ứng xung (f=5,10,15KHz)

hieu suat su dung phoQPSK  so song con
chu ky ky hieu
2  384

 13497 bps
56,9  103

như Hình 2

R

B. Đáp ứng xung kênh nước biển nông thuộc vịnh Bắc Bộ
Việt Nam
Trên cơ sở các phân tích ở trên chúng tơi đề xuất mơ
hình kênh nước biển nơng thuộc vịnh Bắc Bộ Việt Nam có đáp
ứng xung với biên độ tuân theo phân bố Rayleigh như sau:
(2)

h  a  jb

Theo kết quả [3] hệ thống dùng điều chế FSK 2 mức thì đạt
tốc độ lý thuyết là

Rbit  hieu suat su dung pho BFSK  Rbaud

 1 5400  5400 bps

trong đó a , b  N (0,  ) , phân bố Gauss với trung bình
khơng và  là phương sai của tạp âm nền môi trường biển
vịnh Bắc Bộ.
Giá trị tạp âm nền phụ thuộc vào nhiều yếu tố như trạng thái
của biển, tốc độ gió và mật độ lưu thông các phương tiện tàu
thủy. Theo tài liệu [9], nếu trạng thái biển ổn định, tốc độ gió

So sánh hai kết quả này thì rõ ràng dùng điều chế OFDM đạt
tốc độ tốt hơn. Đồng thời vì [3] dùng điều chế FSK với hai tần
số sóng mang f=1200 Hz, 2200 Hz nên chu kỳ ký hiệu là 0,83
ms và 0,45 ms nhỏ hơn đáng kể so với độ trải trễ tối đa 10 ms,
do đó hệ thống sẽ chịu ảnh hưởng Fading rất lớn từ kênh thủy
âm, trong nhiều trường hợp sẽ mất hồn tồn thơng tin.

trung bình, mật độ lưu thông tàu thủy vừa phải   90dB
Tuy nhiên xét thêm hiện tượng đa đường với độ trải
trễ tối đa 10 ms và chuẩn hóa giá trị độ lợi 2 tap đầu tiên thì
đáp ứng xung kênh thủy âm như sau
h(t )  0.6* h(t )  0.4* h(t   m ) (3)
Hệ số phản xạ tại mặt biển là -1 (chỉ quay pha), tia âm phản
xạ tại thềm lục địa giả thiết mỗi lần mất mát đi 3dB.

2

IV.

V.

1.

2.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Trước tiên chúng tôi thiết kế một hệ thống OFDM với các
tham số như Bảng II sau đây
Bảng II. Các tham số của hệ thống OFDM
Tham số
Tần số lấy mẫu
Số điểm lấy FFT, IFFT
Khoảng bảo vệ
Điều chế sóng con
Chu kỳ ký hiệu khơng có CP
Chu kỳ ký hiệu có CP
Số sóng con
Khoảng phân cách sóng con

3.

KẾT QUẢ MƠ PHỎNG

Phần này trình bày mơ phỏng với các kịch bản sau đây:

KỊCH BẢN 1
Mơ hình kênh nước biển nông ở vịnh Bắc Bộ Việt Nam
như mô tả ở phần III. Ở đây sử dụng công thức (2) cho
mô phỏng. Đồng thời coi độ trễ giữa các tap đều nhau.
Mơ hình máy phát và thu dùng điều chế OFDM với các
tham số chỉ ra ở Bảng II.
Tiến hành mô phỏng Monte Carlo dùng

384  2  1500  1152000 bit , bằng máy tính , để
kiểm tra chất lượng hệ thống.
KỊCH BẢN 2
1. Mơ hình kênh nước biển nơng ở vịnh Bắc Bộ Việt
như mô tả ở phần III. Tuy nhiên xét thêm hiện tượng
đa đường với độ trải trễ tối đa 10 ms và chuẩn hóa
giá trị độ lợi 2 tap đầu tiên, đáp ứng xung kênh thủy
âm như công thức (3). Mô phỏng cho kịch bản 2 sử
dụng công thức này.
2. Các điều kiện khác như kịch bản 1.

Giá trị
9 KHz
512
128
QPSK
56,9 ms
71,1 ms
384
17,6 Hz

Nhìn trên Bảng II ta thấy tần số sóng mang là 9KHz, cơ sở

để lựa chọn này là theo xu thế các thiết bị SONAR của Mỹ [10]
và cũng để phù hợp tần số, giảm giá thành của các đầu dò
(transducer), một bộ phận không thể thiếu trong các thiết bị
thủy âm.
Khoảng bảo vệ, CP chiếm 25% độ dài của chu kỳ ký hiệu,
để chống lại Fading đa đường.
Việc chọn chu kỳ ký hiệu 56,9 ms lớn hơn nhiều so với độ
trải trễ tối đa là 10 ms (chú ý là theo [2] thì độ trải trễ tối đa là
50 ms vì tác giả xét tới 5 tap), đảm bảo giảm ảnh hưởng của
Fading của kênh lên chất lượng tín hiệu.

Sau khi tiến hành mơ phỏng chúng tơi có được các kết
quả của Kịch bản 1 như ở Hình 3 và Kịch bản 2 như ở Hình
4 sau đây.

320

320


Thảo
QuốcGia
Gia2015
2015về
về Điện
Điện Tử,
Truyền Thông
Thông
Tin Tin
(ECIT

2015)
HộiHội
Thảo
Quốc
Tử, Truyền
ThôngvàvàCông
CôngNghệ
Nghệ
Thông
(ECIT
2015)

với đường trực tiếp (đây là kịch bản xấu nhất xảy ra trong hệ
thống truyền tin). Tại mức BER=10-3 kênh này sẽ phải bù
khoảng 14 dB so với kênh AWGN khi mà chỉ có ảnh hưởng
của tạp âm nền của biển.
Như vậy chúng tôi đã tiến hành mơ phỏng hồn chỉnh một
hệ QPSK OFDM trong kênh thủy âm đề xuất đặc trưng cho
kênh nước biển nơng của vịnh Bắc Bộ, có thể nói rằng đây là
loại kênh phức tạp hơn kênh vô tuyến thông thường và đây là
những kết quả bước đầu trong nỗ lực nhằm nâng cao tốc độ
truyền tin dưới biển.

BER trong kenh Thuy am Rayleigh Fading

0

10

Duong ly thuyet kenh AWGN

Mo phong kenh Rayleigh Fading
-1

BER cua he QPSK OFDM

10

-2

10

VI.

-3

10

Bài báo đã tiến hành quan sát lý thuyết một kênh nước biển
nông thuộc địa hình vịnh Bắc Bộ Việt Nam. Một mơ hình
kênh thủy âm cụ thể đã được đề xuất. Một hệ truyền tin vơ
tuyến QPSK OFDM sử dụng sóng âm tần số 9KHz được thiết
kế và mơ phỏng hồn chỉnh để truyền tin qua mơ hình kênh đề
xuất. Các ảnh hưởng của phân tán thời gian và tần số đã được
xem xét. Trên quan điểm thiết kế mà nói thì thiết kế này đã
thành công khi đạt được tốc độ truyền tin hơn gần 2,5 lần so
với kết quả dùng FSK trong [3].

-4

10

-5

10

-2

0

2

4

6

8
10
Eb/No, dB

12

14

16

18

20

Hình 3. Tỷ lệ lỗi bit hệ QPSK OFDM cho kênh AWGN

(đường màu xanh nước biển, có chấm vng), tỷ lệ lỗi bit cho
kênh thủy âm Rayleigh Fading (đường màu hồng, có chấm chéo).
0

10

BER kenh Thuy am Fading Rayleigh co Da duong(2 tap, do loi chuan hoa)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Duong ly thuyet kenh AWGN
Mo phong kenh Rayleigh Fading

[1]
[2]

Nguyễn Văn Phòng (2007), Bách Khoa về Biển, NXB từ điển bách khoa
M. Stojanovic (2008), “Underwater acoustic communications: design
considerations on the physical layer”, IEEE Fifth annual conference on
wireless on demand network systems and services, pp. 1-10.
[3] A. Dairo và cộng sự (2013), “Low cost frequency shift keying acoustic
modem for underwater wireless sensors networks”, Proceeding of the
Spring 2013 Mid-Atlantic Section Conference of the American Society
of Engineering Education, pp.36-46.
[4] R.V. Nee và R. Prasad (2000), OFDM for wireless multimedia
communications, Artech House Boston, London.
[5] M. Stojanovic (2008), “OFDM for underwater acoustic
communications: adaptive synchronization and sparse channel
estimation”, IEEE International conference on acoustic, speech and
signal processing, pp. 5288-5291.

[6] Baosheng Li và cộng sự (2009), “ MIMO-OFDM for high rate
underwater acoustic communications”, IEEE Journal on Oceanic
Engineering, Vol.34, pp.634-644.
[7] M. Stojanovic (2006), “ Low complexity OFDM detector for underwater
acoustic channels”, pp.1-6, IEEE Conference Oceans, DOI:
10.1109/OCEANS.2006.307057.
[8] A. Radosevic và cộng sự (2013), “Adaptive OFDM modulation for
underwater acoustic communications: Design considerations and
Experimental results”, IEEE Journal of Oceanic Engineering, pp. 357370. ISSN: 0360-9059.
[9] Trần Bá Tấn và Trần Cao Quyền (2015), “Design an power amplifier
for a digital underwater modem using FSK modulation”, Journal of
Science and Technology-Hanoi University of Industry, pp.15-18.
ISSN 1859-3585.
[10]
Bạch Nhật Hồng (2006), Đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng một số cảm
biến siêu âm để thiết kế chế tạo hệ thống phát hiện, đo đạc các tham số
vật bay trên không và thiết bị truyền tin dưới nước phục vụ kinh tế- xã
hội, an ninh quốc phòng”, Quyển III, Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết
bị liên lạc thủy âm.

-1

BER cua he QPSK OFDM

10

-2

10

-3

10

-4

10

-5

10

KẾT LUẬN

-2

0

2

4

6

8
10
Eb/No, dB

12

14

16

18

20

Hình 4. Tỷ lệ lỗi bit hệ QPSK OFDM cho kênh AWGN
(đường màu xanh nước biển, có chấm vng), tỷ lệ lỗi bit cho
kênh thủy âm Rayleigh Fading với 2 tap, độ lợi chuẩn hóa (đường
màu hồng có chấm chéo).

Từ Hình 3 ta thấy rằng kênh thủy âm khảo sát là rất phức
tạp, khi kể đến hiện tượng đa đường chất lượng tín hiệu thu bị
hạn chế đáng kể. Với mức BER=10-3 trong kênh AWGN và
kênh thủy âm Rayleigh Fading cần mật độ năng lượng bit trên
tạp âm, Eb/No tương ứng là 6 dB và 18 dB. Như vậy với mức
BER=10-3 thì kênh thủy âm này sụt giảm 12 dB so với kênh
AWGN. Sở dĩ có hiện tượng này là do sự phân tán thời gian
xảy ra lớn trong kênh thủy âm. Tuy nhiên có thể tin rằng thơng
tin chỉ có thể bị phá hủy một phần mà khơng bị mất hồn tồn
do đã sử dụng việc kéo dài độ rộng chu kỳ ký hiệu phát.
Kết quả từ Hình 4 thể hiện sự xuống cấp hơn một chút nữa
của chất lượng tín hiệu thu khi ảnh hưởng của trải trễ tối đa
phát huy tác dụng và công suất đường phản xạ so sánh được

321

321