Nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ và bù dịch tần Doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ OFDM.
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.82 MB, 128 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
ĐỖ ĐÌNH HƯNG
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ VÀ BÙ DỊCH TẦN
DOPPLER CHO TRUYỀN THÔNG DƯỚI NƯỚC
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM
Ngành : Kỹ thuật viễn thông
Mã số : 9520208
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. NGUYỄN QUỐC KHƯƠNG
2. PGS.TS. HÀ DUYÊN TRUNG
Hà Nội - 2022
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là kết
quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa xuất
hiện trong các công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác, trung
thực và khơng trùng lặp với các kết quả được cơng bố trước đó.
Tập thể hướng dẫn
TS. Nguyễn Quốc Khương
Tác giả luận án
PGS.TS. Hà Duyên Trung
i
Đỗ Đình Hưng
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Quốc Khương và
PGS.TS. Hà Duyên Trung là Thầy giáo đã trực tiếp hướng dẫn khoa học và hỗ trợ tôi về
mọi mặt để tôi có thể hồn thành bản luận án Tiến sĩ này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến
Thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Văn Đức đã giúp đỡ tận tình trong quá trình đăng các
nghiên cứu khoa học.
Tơi cũng bày tỏ lịng biết ơn đến PGS.TS. Nguyễn Hữu Thanh-Hiệu trưởng Trường
Điện-Điện tử, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, nơi tôi được học tập và nghiên cứu
trong suốt q trình. Tơi xin cảm ơn Phịng Đào tạo Đại học, các Thầy cơ đã giúp đỡ tơi
rất nhiều trong q trình làm Nghiên cứu sinh.
Cuối cùng, tôi xin dành những lời cám ơn trân trọng đến gia đình tơi. Sự động viên,
giúp đỡ và sự hi sinh, nhẫn nại của gia đình là động lực mạnh mẽ giúp tơi vượt qua mọi
khó khăn để hoàn thành luận án này.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 7 tháng 11 năm 2022
Tác giả luận án
Đỗ Đình Hưng
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.............................................................................................................. I
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................... ii
DANH MỤC HÌNH VẼ...................................................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU...........................................................................................viii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.............................................................. ix
CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC DÙNG TRONG LUẬN ÁN...................................... …..xi
LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI...................................................................................................................................1
2. NHỮNG VẤN ĐỀ CÕN TỒN TẠI.............................................................................................................2
3. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN.......................................................................................................................3
4. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU......................................................................................................................4
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................................................................................5
6. NHỮNG GIỚI HẠN TRONG CÁC NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN......................................................5
7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI..........................................................5
8. CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN....................................................................................................6
9. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN...........................................................................................................................7
CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC...................9
1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG...........................................................................................................................9
1.2. ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC........................................................9
1.3. HỆ THỐNG TRUYỀN THƠNG TIN DƯỚI NƯỚC..............................................................................9
1.3.1. Các thơng số chủ yếu của mơi trường thủy âm…............................................ 9
1.3.2. Tính đa đường trong lan truyền sóng âm......................................................... 10
1.3.3. Suy hao trong môi trường nước....................................................................... 10
1.3.4. Nhiễu môi trường............................................................................................ 10
1.3.5. Hiệu ứng Doppler............................................................................................ 10
1.3.6. Nhận xét.......................................................................................................... 12
1.4. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SĨNG MANG TRỰC GIAO (OFDM) TRONG MƠI TRƯỜNG
DƯỚI NƯỚC...................................................................................................................................................12
1.4.1. Giới thiệu kỹ thuật OFDM............................................................................. 12
1.4.2. Tính trực giao..................................................................................................13
1.4.3. Nhiễu giao thoa ký tự và nhiễu giao thoa sóng mang...................................... 15
1.4.4. Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM...................................................................18
1.5. SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ KHÁC TƯƠNG ĐƯƠNG KỸ THUẬT OFDM.........22
1.5.1. Đặt vấn đề....................................................................................................... 22
1.5.2. Mơ hình so sánh OFDMA và SC-FDMA…................................................... 22
1.5.3. Kết quả mô phỏng…...................................................................................... 25
1.5.4. Kết quả thực nghiệm.......................................................................................27
1.5.5. Nhận xét.......................................................................................................... 27
1.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG..........................................................................................................................28
CHƯƠNG 2 ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THƠNG
TIN DƯỚI NƯỚC..........................................................................................................29
2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG........................................................................................................................29
2.2. ĐỒNG BỘ THỜI GIAN................................................................................................................... 29
2.2.1. Khái niệm.......................................................................................................29
2.2.2. Một số phương pháp đồng bộ thời gian phổ biến hiện nay.............................. 30
2.2.3. Nhận xét chung............................................................................................... 33
2.3. THUẬT TOÁN ĐỒNG BỘ THỜI GIAN SỬ DỤNG KHOẢNG BẢO VỆ GI...................................33
2.3.1. Mô tả hệ thống................................................................................................ 34
2.3.2. Kết quả thực nghiệm....................................................................................... 39
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG...........................................................................................................................43
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLE CHO HỆ THỐNG
OFDM TRUYỀN THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC............................................................44
3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG........................................................................................ 44
3.2. ĐẶC ĐIỂM CỦA HIỆN TƯỢNG DOPPLER...................................................................44
3.2.1. Mơ hình tín hiệu..............................................................................................44
3.2.2. Đồng bộ thơ tần số.......................................................................................... 45
3.2.3. Kiểm sốt bù tần số bằng việc sử dụng tín hiệu dẫn đường liên tục kết hợp giám
sát công suất trễ......................................................................................................... 46
3.2.4. Bù dịch tần Doppler....................................................................................... 48
3.3. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER DỰA TRÊN CHUỖI TÍN HIỆU HÌNH SIN............49
3.3.1. Mô tả hệ thống............................................................................................... 50
3.3.2. Kết quả thực nghiệm...................................................................................... 56
3.3.3. Giao diện hệ thống........................................................................................57
3.3.4. Kết quả thu được............................................................................................. 59
3.3.5. Nhận xét.......................................................................................................... 60
3.4. PHƯƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER SỬ DỤNG TÍN HIỆU SĨNG MANG DẪN ĐƯỜNG
(CARRIER FREQUENCY PILOT- CFP).............................................................................60
3.4.1. Đặt vấn đề....................................................................................................... 60
3.4.2. Mô tả hệ thống................................................................................................ 61
3.4.3. Mô tả chi tiết phương pháp thực hiện.............................................................. 66
3.5. PHƯƠNG PHÁP GIẢI MÃ TRỰC TIẾP (DIRECT DECODE).............................................68
3.5.1. Đặt vấn đề.......................................................................................................68
3.5.2. Hệ thống thủy âm giải mã trực tiếp.................................................................69
3.5.3. Giải thích nguyên lý........................................................................................ 70
3.5.4. Mô tả chi tiết phương pháp thực hiện.............................................................. 71
3.5.5. Thực nghiệm và kết quả.................................................................................. 73
3.5.6. Nhận xét.......................................................................................................... 76
3.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG..........................................................................................................................76
CHƯƠNG 4 TRUYỀN THÔNG DƯỚI NƯỚC SỬ DỤNG MƠ HÌNH SISO ( ANTEN
PHÁT-1 ANTEN THU) KẾT HỢP ĐẶC TÍNH PHÂN TẬP KHƠNG GIAN-THỜI
GIAN CỦA HỆ THỐNG MIMO..................................................................................78
4.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG................................................................................................................... 78
4.2. MƠ HÌNH HỆ THỐNG.........................................................................................................................78
4.3. CAC KỸ THUẬT PHAN TẬP..............................................................................................................79
4.3.1. Phân tập thời gian............................................................................................ 79
4.3.2. Phân tập tần số............................................................................................... 80
4.3.3. Phân tập không gian....................................................................................... 81
4.4. DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG MIMO............................................................................ 82
4.5. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN CHO TRUYỀN THÔNG DƯỚI
NƯỚC CHỈ SỬ DỤNG MỘT CẶP ANTEN THU PHÁT (SISO)................................................ 83
4.5.1. Đặt vấn đề.......................................................................................................83
4.5.2. Giải mã N tín hiệu phân tập khơng gian thời gian........................................... 84
4.5.3. Thực nghiệm, mô phỏng hệ thống và kết quả.................................................. 88
4.5.4. Nhận xét.......................................................................................................... 93
4.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG.........................................................................................................................93
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.............................94
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN...............................96
TÀI LIỆU THAM KHẢO CỦA LUẬN ÁN................................................................. 97
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Phổ của tín hiệu FDM và OFDM...................................................................................13
Hình 1.2. a.Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang b. Tác động của nhiễu đến hệ
thống đa sóng mang.......................................................................................................................13
Hình 1.3. Phổ của các sóng mang trực giao...................................................................................15
Hình 1.4. Phổ của bốn sóng mang trực giao..................................................................................16
Hình 1.5. Phổ của bốn sóng mang khơng trực giao.......................................................................16
Hình 1.6. Ảnh hưởng của ISI.........................................................................................................17
Hình 1.7. Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống.............................................................................17
Hình 1.8. Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix.................................................................................18
Hình 1.9. Suy giảm biên độ do lệch tần số sóng mang..................................................................20
Hình 1.10. Sơ đồ so sánh hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA [5]........................23
Hình 1.11. Mơ hình chèn pilot.......................................................................................................25
Hình 1.12. Kết quả mô phỏng và lý thuyết trong trường hợp điều chế BPSK, NFFT=2048,
GI=1024, với kênh Rayleigh nTap=10..........................................................................................26
Hình1.13. Dạng tín hiệu OFDM và SC-FDMA bị cắt đỉnh khi vượt ngưỡng...............................26
Hình 1.14. So sánh kết quả mơ phỏng...........................................................................................26
Hình 1.15. a. Chịm sao OFDMA thu được SER=0.048..............................................................27
Hình 2.1. Phổ tín hiệu đồng bộ OFDM….....................................................................................30
Hình 2.2. Mơ tả q trình đồng bộ thời gian theo phương pháp Schmidl.....................................30
Hình 2.3. Mơ tả q trình đồng bộ thời gian theo phương pháp Minn.........................................31
Hình 2.4. Sơ đồ hệ thống OFDM.................................................................................................35
Hình 2.5. Kỹ thuật sắp xếp sóng mang trong hệ thống OFDM....................................................36
Hình 2.6. Thuật tốn đồng bộ thời gian sử dụng chuỗi GI............................................................38
Hình 2.7. Hệ thống OFDM thực nghiệm.......................................................................................40
Hình 2.8. Tín hiệu OFDM thu được trên hệ thống tại Hồ Tiền.....................................................40
Hình 2.9. Hàm phân bố mật độ xác suất của biên bộ tín hiệu OFDM thu được............................41
Hình 2.10. So sánh độ ổn định tín hiệu giữa 2 đỉnh đồng bộ gần nhất..........................................41
Hình 2.11. So sánh SNR giữa hai phương pháp...........................................................................42
Hình 2.12. Chịm sao tín hiệu thu được sau giải mã của 2 phương pháp......................................42
Hình 3.1. Cấu trúc khung dữ liệu...................................................................................................46
Hình 3.2. Tín hiệu dẫn đường liên tục...........................................................................................47
Hình 3.3. Hiện tượng dịch chuyển phổ cơng suất trễ gây bởi sự co giãn thời gian.......................48
Hình 3.4. Sơ đồ hệ thống thu – phát..............................................................................................51
Hình 3.5. Kỹ thuật sắp xếp dữ liệu lên các sóng mang con cho hệ thống OFDM........................52
Hình 3.6. Khung tín hiệu phát........................................................................................................53
Hình 3.7. (a). Chịm sao tín hiệu thu (b).Chịm sao xoay lại bằng thuật tốn xoay pha.............55
Hình 3.8. Sơ đồ thực nghiệm hệ thống trên Hồ Tiền.....................................................................56
Hình 3.9. Tín hiệu OFDM có gắn chuỗi hình sin..........................................................................57
Hình 3. 10. Giao diện bên phát......................................................................................................58
Hình 3.11. Giao diện bên thu.........................................................................................................59
Hình 3.12. Chịm sao tín hiệu thu sau khi xoay pha......................................................................59
Hình 3.13. Hệ thống truyền dữ liệu số trên kênh truyền thủy âm bao gồm sơ đồ khối máy phát và
máy thu..........................................................................................................................................62
Hình 3.14. Phổ cơng suất trung bình tín hiệu................................................................................65
Hình 3.15. Mơ hình hệ thống giải mã trực tiếp..............................................................................69
Hình 3.16. Mơ hình thực nghiệm...................................................................................................73
Hình 3.17. a. Tín hiệu OFDM thu được trong miền thời gian b. Phổ của tín hiệu với sóng mang
CFP ở trung tâm.............................................................................................................................73
Hình 3.18. Biến thiên của độ dịch tần Doppler theo vận tốc dịch chuyển tương đối giữa bên phát
và bên thu.......................................................................................................................................73
Hình 3.19. So sánh SER của phương pháp giải mã trực tiếp và giải mã 2 bước...........................76
Hình 4.1. Mơ hình hệ thống MIMO...............................................................................................78
Hình 4.2. Từ mã được phát có xen và khơng xen.........................................................................80
Hình 4.3. Các loại phân tập khơng gian.......................................................................................81
Hình 4.4. Mỗi khung tín hiệu được phát lặp N lần.......................................................................84
Hình 4.5: Hệ thống 1 anten phát nhiều anten thu (SIMO)............................................................84
Hình 4.6. Lưu đồ thuật tốn giải mã N khung tín hiệu..................................................................86
Hình 4.7. Độ hội tụ các điểm tín hiệu của chịm sao M-QAM......................................................87
Hình 4.8. Kết hợp các khung giải mã MRC theo thứ tự SNR giảm dần.......................................88
Hình 4.9. So sánh các trường hợp..................................................................................................88
Hình 4.10. Mơ hình thực nghiệm tại Hồ Tiền................................................................................89
Hình 4.11: Hệ thống OFDM thử nghiệm.......................................................................................90
Hình 4.12. Tín hiệu N=10 khung...................................................................................................92
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Các thông số của hệ thống truyền tin dưới nước................................................................9
Bảng 2. Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng thuật toán đồng bộ thời gian......................39
Bảng 3. Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng chuỗi hình sin............................................56
Bảng 4. Các thơng số của hệ thống thủy âm sử dụng CFP............................................................74
Bảng 5. SNR của các khung truyền dữ liệu...................................................................................88
Bảng 6. Các tham số của hệ thống OFDM-SISO..........................................................................91
Bảng 7. SER của mỗi khung và khi kết hợp các khung.................................................................92
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ
Tiếng Anh
Tiếng Việt
Fourth-Generation wireless
Thế hệ mạng di dộng thứ 4
viết tắt
4G
communication system
ASK
Amplitude Shift Keying
Điều chế số theo biên độ tín hiệu
ADC
Analog to Digital Converter
Mạch chuyển đổi tương tự - số
BER
Bit Error Rate
Tỷ lệ lỗi bit
CFO
Carrier Frequency Offset
Độ lệch tần số sóng mang
CFP
Carrier Frequency Pilot
Tần số sóng mang pilot
CP
Cyclic Prefix
Tiền tố vịng
DAC
Digital to Analog Converter
Mạch chuyển đổi số- tương tự
DFT
Discrete Fourier transform
Phép biến đổi Fourier
DVB-T
Digital Video Broadcasting for
Hệ thống truyền hình số mặt đất
Terrestrial Transmission Mode
FDM
Frequency Division Mutilplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số
FSK
Frequency Shift Keying
Điều chế khóa dịch tần
FFT
Fast Fourier Transform
Phép biến đổi Fourier nhanh
GI
Guard Interval
Khoảng bảo vệ
ICI
Intercarrier Interference
Nhiễu liên kênh
ISI
Intersymbol Interference
Nhiễu liên ký tự
IDFT
Inverse Discrete Fourier Transform
Phép biến đổi Fourier ngược
IFFT
Inverse Fast Fourier Transform
Phép biến đổi nhanh Fourier ngược
MIMO
Multiple Input Multiple Output
Hệ thống đa đầu vào đa đầu ra
MRC
Maximal Ratio Combiners
Kỹ thuật phân tập thu với bộ kết hợp tỷ
lệ tối đa
M-QAM
Quadrature Amplitude Modulation
Điều chế biên độ vng góc
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Ghép kênh phân chia theo tần số trực
Multiplexing
giao
Parallel to Serial
Bộ chuyển đổi từ song song sang nối
P/S
tiếp
PAPR
Peak to Average Power Ratio
Tỷ số cơng suất đỉnh trên cơng suất
trung bình
Probability Density Function
Hàm mật độ xác suất
PDP
Power Delay Profile
Hàm phân bố công suất trễ
PSAM
Pilot Signal Assisted Modulation
Điều chế tín hiệu dẫn đường
PSK
Phase Shift Keying
Điều chế số khóa dịch pha
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
Điều chế khóa pha cầu phương
S/P
Serial to Parallel
Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song
SER
Symbol Error Rate
Tỉ số ký hiệu trên lỗi
SNR
Signal to Noise Ratio
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
UWA
UnderWater Acoustic
Kênh thủy âm
CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC DÙNG TRONG LUẬN ÁN
Ký hiệu
S*(t)
Ý nghĩa
Liên hợp phức của S(t)
τmax
Khoảng trễ lớn nhất
NFFT
Độ dài biến đổi Fourier
M(n)
Trung bình giá trị tương quan trên độ dài một khoảng CP
CNi
Tổ hợp chập N của i phần tử
ri
Độ lợi đường truyền
i
Độ trễ
RPB (t)
Tín hiệu thơng dải
RBB (t)
Tín hiệu băng tần cơ sở
H(m, n)
Hàm truyền đạt ước lượng của kênh cho sóng mang phụ thứ m và cho
ký tự thứ n
IICI
Ma trận khử nhiễu liên kênh
TGI
Chiều dài khoảng bảo vệ
fˆR
Độ dịch tần gây bởi hiện tượng Doppler
Hn
Hàm truyền đạt ứng với ký tự thứ n
YK
Tín hiệu ở sóng mang khụ thứ k
I(k, l)
Nhiễu liên sóng mang từ sóng mang phụ thứ l tới sóng mang phụ thứ k
H 1
Ma trận nghịch đảo của H
HH
Ma trận chuyển vị và liên hợp phức của H
Fr
Tần số sóng mang phía thu
ZC
Số lần cắt khơng của tín hiệu
f
Độ lệch tần số lấy mẫu
fs
Tần số lấy mẫu
frs
Tần số tái lấy mẫu
P(i)
Sai lệch giữa hai mẫu tín hiệu trong 2 cửa sổ
R(i)
Tập giá trị tương quan của liên hợp phức giữa 2 cửa sổ tín hiệu
Mức biên độ của CFP
Ac
Fc
Tần số của CFP
F
Khoảng cách giữa hai sóng mang
mean
dùng để tính giá trị trung bình
angle
dùng để tính góc của một giá trị là số phức
g(t)
Hàm để xây dựng ma trận khử nhiễu ICI
LỜI MỞ ĐẦU
1. Giới thiệu đề tài
Trong một vài năm trở lại đây, thông tin dưới nước đang được sử dụng rất rộng rãi
trong các lĩnh vực như: thám hiểm đại dương, quan trắc địa hình dưới biển, vận hành và
truyền thông tin giữa các tầu ngầm và đặc biệt có vai trị quan trọng trơng lĩnh vực qn
sự, an ninh quốc phịng. Cụ thể, Việt Nam có hàng nghìn km bờ biển với vùng hải phận
biển Đông vô cùng rộng lớn. Do vậy, thông tin dưới nước đang trở thành một trong
những lĩnh vực được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm hiện nay [9,10].
Trong môi trường dưới nước, do đặc tính mơi trường bị hấp thụ và suy hao với tốc độ
nhanh [12,13,14] nên tín hiệu sử dụng sóng điện từ sẽ bị giới hạn về tốc độ cũng như
khoảng cách truyền dẫn. So với tín hiệu sóng điện từ, tín hiệu sóng âm có những ưu điểm
vượt trội vì âm thanh ít bị suy hao trong mơi trường nước. Vì vậy, việc sử dụng sóng âm
để truyền thơng tin dưới nước là một phương pháp ưu tiên hàng đầu kết hợp với các công
nghệ tiên tiến sẽ đạt hiệu quả cao [15,16].
Tuy nhiên trong môi trường dưới nước, sóng âm bị ảnh hưởng của sự biến đổi nhiệt
độ, các loại nhiễu và truyền dẫn đa đường do sự phản xạ và tán xạ [12-16], tốc độ truyền
dẫn của sóng âm dưới nước cũng rất hạn chế (khoảng 1.5km/s) nhỏ hơn rất nhiều so với
sóng điện từ là 300.000km/s nên gây ra trễ truyền dẫn và ảnh hưởng của dịch tần Doppler
đến tín hiệu thu cũng lớn hơn khi so sánh với việc truyền sóng vơ tuyến [9,10,11]. Những
đặc tính đó đã làm cho kênh truyền dưới nước khác hẳn so với kênh truyền sử dụng sóng
điện từ.
Có nhiều kỹ thuật truyền thông được sử dụng để truyền thông tin dưới nước như
ASK, FSK, M_PAM, M_QAM, OFDM, SC-FDMA [1,7]. Trong số các kỹ thuật này thì
kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao (OFDM) có ưu điểm là hiệu quả sử
dụng phổ cao nên phù hợp với băng thông hạn hẹp của kênh truyền dưới nước, ngồi ra
OFDM có khả năng chống giao thoa đa đường tốt. Vì vậy, luận án sẽ tập trung nghiên
cứu vào việc sử dụng kỹ thuật OFDM cho truyền thông dưới nước.
Tuy nhiên, đặc điểm của tín hiệu OFDM là rất nhạy cảm với sai lệch thời gian và sai
lệch tần số. Do vậy việc xác định chính xác điểm bắt đầu của tín hiệu OFDM và sai lệch
tần số bên phát trong môi trường nhiễu cao như ở dưới nước là một trong những vấn đề
1
cơng nghệ quan trọng cần giải quyết. Thêm vào đó, khi có dịch chuyển tương đối giữa
bên phát và bên thu sẽ gây ra hiệu ứng Doppler, làm sai lệch giữa tần số thu và phát gây
ra nhiễu liên sóng mang ICI ảnh hưởng lớn đến chất lượng tín hiệu thu [24-28].
Có thể thấy rằng hệ thống thơng tin dưới nước chịu nhiều ảnh hưởng của các yếu tố
môi trường, suy hao do khoảng cách, nhiễu, di chuyển… nên chất lượng của tín hiệu thu
được thường rất thấp do tỷ lệ SNR nhỏ nên tỷ lệ lỗi SER thường khá cao [15-17]. Việc
nghiên cứu ra các biện pháp để nâng cao chất lượng tín hiệu là rất cần thiết. Vì vậy, trong
chương 4 của luận án sẽ đưa ra các đề xuất tận dụng ngay các yếu tố bất lợi của việc
truyền thông như sự chuyển động tương đối giữa phát và thu hay chuyển động của sóng
gió mặt nước để tạo lập hệ thống truyền thơng tận dụng tính phân tập khơng gian- thời
gian của tín hiệu thu được tương đương với hệ thống nhiều anten thu- phát (MIMO) để
cải thiện chất lượng tín hiệu giúp giảm tỷ lệ lỗi ký tự SER khi giải mã.
Để giải quyết những vấn đề nêu ở trên, luận án sẽ tập trung nghiên cứu ba vấn đề
chính sau:
- Thứ nhất là nghiên cứu và giải quyết các vấn đề về đồng bộ thời gian cho tín hiệu
OFDM trong mơi trường dưới nước.
- Thứ hai là nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật và đưa ra các đề xuất mới để bù dịch
tần Doppler cho hệ thống thông tin dưới nước sử dụng kỹ thuật OFDM.
- Thứ ba là tìm ra các phương pháp để cải thiện chất lượng tín hiệu thủy âm qua việc
ứng dụng đặc tính phân tập khơng gian-thời gian để hệ thống chỉ sử dụng một cặp anten
thu – phát mà có khả năng như một hệ thống gồm nhiều anten (MIMO).
2. Những vấn đề còn tồn tại
Vấn đề : Có nhiều phương pháp đồng bộ cho hệ thống OFDM, nhưng chủ yếu là sử
dụng những chuỗi tín hiệu đặc biệt để gắn vào đầu hoặc cuối mỗi khung tín hiệu, như
phương pháp Schmidl, phương pháp Park, phương pháp Minn và phương pháp Seung.
Những phương pháp này được đề cập trong [20,21] khơng phù hợp với tiêu chí truyền tin
của thông tin dưới nước do hệ thống cần phải tiết kiệm băng thơng. Ngồi ra do đặc điểm
của sóng âm [14] khác với sóng vơ tuyến nên việc áp dụng các phương pháp trên cho
truyền tín hiệu dưới nước sẽ đạt hiệu quả không cao.
Vấn đề 2: Việc truyền tin dưới nước gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm rất
chậm (1,5km/s) nên với sự chuyển động tương đối giữa bên phát và thu cũng gây ra
lượng dịch tần Doppler lớn ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu OFDM. Có nhiều nghiên
cứu về bù dịch tần Doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ OFDM như ở
trong [18,25]. Đặc điểm chung của các phương pháp đó là việc tính tốn độ dịch tần số
Doppler thường được thực hiện sau khi đồng bộ. Thực tế, trong trường hợp độ dịch tần
Doppler lớn kèm nhiễu mạnh, tín hiệu thu được sẽ bị méo dạng nghiêm trọng so với tín
hiệu phát nên kỹ thuật đồng bộ dựa trên việc so sánh các chuỗi tín hiệu để tính độ dịch
tần Doppler thường khơng chính xác.
Vấn đề 3: Các phương pháp bù dịch tần Doppler hiện nay [25, 26, 27] vẫn phải sử
dụng các chuỗi ký tự để thêm vào đầu các khung nên sẽ không cho hiệu quả tốt về tiết
kiệm băng thông như các phương pháp [26, 27] đều phải sử dụng 2 bước để bù dịch tần
Doppler đó là: đồng bộ thơ và đồng bộ tinh. Ở bước đồng bộ thô, tần số Doppler sẽ được
tính tốn gần đúng và làm trịn thành số nguyên. Ở bước đồng bộ tinh, các phương pháp
đó sẽ sử dụng thuật tốn để tính tốn chính xác tần số Doppler và sử dụng ma trận ICI để
khử nhiễu liên kênh trước khi giải mã tín hiệu bên thu. Việc sử dụng 2 bước tính tốn như
vậy sẽ phức tạp và khơng thích ứng được khi tần số Doppler biến đổi nhanh.
Vấn đề 4: Do đặc điểm kênh truyền dưới nước chịu tác động của nhiều yếu tố như
nhiễu, dịch tần Doppler, nên tín hiệu giải thu được thường bị sai và có chất lượng rất
thấp, có tỷ lệ lỗi tín hiệu SER cao [15-17]. Thơng thường trong các hệ thống vơ tuyến thì
để nâng cao chất lượng tín hiệu thu, người ta sẽ sử dụng nhiều anten thu nhằm tận dụng
tính phân tập khơng gian của tín hiệu [86,87]. Tuy nhiên, việc sử dụng nhiều anten thu
phát (MIMO) sẽ khiến thiết bị trở nên cồng kềnh rất khó di chuyển đặc biệt trong mơi
trường dưới nước. Do vậy, việc tìm ra một giải pháp sử dụng hệ thống một thu - một phát
(SISO) nhưng lại có có thể ứng dụng được các đặc tính của hệ thống MIMO đó là tận
dụng được tính phân tập khơng gian-thời gian của tín hiệu để giải quyết các vấn đề trên là
mục tiêu của luận án.
3. Mục tiêu của luận án
Nghiên cứu thuật toán để đồng bộ thời gian cho tín hiệu OFDM trong mơi trường
truyền tin dưới nước với tiêu chí:
Chỉ sử dụng khoảng bảo vệ GI để phát hiện điểm đồng bộ cho khung dữ
liệu nên cho hiệu quả sử dụng băng thông tốt.
Cho hiệu quả đồng bộ và chất lượng tín hiệu thu được tốt hơn các phương
pháp phổ biến.
Nghiên cứu phương pháp bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi tín hiệu hình sin với
các ưu điểm so với các phương pháp hiện có:
Việc tính độ dịch tần Doppler được thực hiện trước khi đồng bộ nên không
cần phải xác định chính xác điểm bắt đầu của mỗi khung tín hiệu.
Độ dài chuỗi sin ngắn nên tiết kiệm được băng thông đồng thời xử lý dễ
dàng hơn.
Xác định được gần chính xác tần số Doppler ngay từ bước đồng bộ thô nên
ở bước đồng bộ tinh chỉ cần sử dụng thuật toán xoay pha đơn giản.
Đề xuất một phương pháp bù dịch tần Doppler hoàn toàn mới, sử dụng một tần số
sóng mang tín hiệu dẫn đường (Carrier Frequency Pilot-CFP) để tính tốn và bù
dịch tần Doppler với các tiêu chí:
Khơng sử dụng chuỗi ký tự đặc biệt để gắn thêm vào nên tiết kiệm băng
thông so với các phương pháp khác.
Sử dụng 2 bước đồng bộ thơ và đồng bộ tinh để tính toán và xác định độ
dịch tần Doppler.
Nghiên cứu cải tiến và đưa ra phương pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sử
dụng kết hợp CFP để bù dịch tần Doppler với các tiêu chí:
Khơng sử dụng chuỗi ký tự gắn thêm vào (preamble) mà chỉ sử dụng CFP
nên tiết kiệm được băng thông so với cá phương pháp khác.
Ở phần giải mã chỉ sử dụng một bước duy nhất để tính độ dịch tần Doppler
nên sẽ cho thời gian tính tốn nhanh hơn, đáp ứng tốt sự biến đổi nhanh của
hệ thống.
Đề xuất mơ hình hệ thống chỉ sử dụng một cặp anten thu-phát mà vẫn ứng dụng
được đặc tính phân tập khơng gian-thời gian của hệ thống MIMO với các tiêu chí
sau:
Hệ thống đơn giản, nhỏ gọn dễ di chuyển trong môi trường nước.
Cải thiện chất lượng tín hiệu sau khi giải mã.
4. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu mơ hình truyền thơng tin dưới nước sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM.
Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng khoảng bảo vệ GI.
Thuật toán bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi hình sin và thuật tốn xoay pha tín
hiệu.
Thuật tốn bù dịch tần sử dụng sóng mang dẫn đường CFP (Carrier Frequency
Pilot) và ứng dụng kỹ thuật giải mã trực tiếp (Direct Decoder) kết hợp CFP cho hệ
thống OFDM truyền thông dưới nước.
Đưa ra giải pháp hệ thống sử dụng một cặp anten thu-phát mà vẫn tận dụng được
đặc tính phân tập khơng gian-thời gian của hệ thống MIMO để cải thiện chất lượng
tín hiệu.
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết và làm thực nghiệm, từ các kết quả thực nghiệm đưa ra các đề
xuất mới phù hợp thực tế.
Nghiên cứu các thuật tốn xử lý tín hiệu sóng âm truyền dưới nước.
Thu thập dữ liệu của hệ thống thông tin dưới nước tại Hồ Tiền-Đại học Bách Khoa
Hà Nội.
Phân tích và xử lý dữ liệu sử dụng phần mềm Matlab kết hợp phần mềm phân tích
dữ liệu của phịng Lab Wicom.
6. Những giới hạn trong các nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu thực hiện chủ yếu ở mơi trường nước nơng có độ sâu khơng quá 50m.
Các kết quả nghiên cứu được thu thập từ thực nghiệm nên khác với các kết quả
nghiên cứu bằng mơ phỏng sử dụng mơ hình kênh đó là việc thực nghiệm chỉ có
thể thực hiện với một số hạn chế lần, cụ thể là từ một đến vài lần.
Bên thu và bên phát được gắn cố định hoặc bên thu là điểm cố định và bên phát
chuyển động tương đối với bên thu.
7. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học
Các kết quả nghiên cứu của luận án đóng góp cho lĩnh vực truyền thông tin
không dây dưới nước cụ thể giải quyết các vấn đề: đồng bộ tín hiệu, mã hóa và
giải mã tín hiệu, loại bỏ nhiễu, bù dịch tần Doppler,…
Ngoài ra, các kết quả của luận án cũng là nền tảng để phát triển các phương
pháp đồng bộ tín hiệu, tối ưu hóa băng thơng cho thông tin dưới nước, truyền
thông tin với sự biến đổi nhanh của tần số Doppler.
Nội dung trình bày trong Chương 3 của luận án được Cục sở hữu trí tuệ - Bộ
Khoa học và công nghệ cấp bằng độc quyền sáng chế.
Ý nghĩa thực tiễn
Các kết quả của luận án là những phương pháp khả thi và có khả năng ứng
dụng trong thực tế để phát triển thuật toán tối ưu, thuật tốn đồng bộ tín hiệu, thuật
tốn bù dịch tần Doppler, nâng cao chất lượng tín hiệu trong thơng tin dưới nước.
Ngồi ra các kết quả này cũng có thể được ứng dụng để các nhà sản xuất
trong nước có thể thiết kế các hệ thống truyền thơng tin dưới nước, các hệ thống
tàu ngầm, thăm dò đáy biển, bảo vệ chủ quyền lãnh hải,…
8. Các đóng góp mới của luận án
Luận án có các đóng góp mới như sau:
Đề xuất thuật toán về đồng bộ thời gian sử dụng chuỗi bảo vệ GI cho hệ thống
OFDM dưới nước.
Đề xuất phương pháp bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi tín hiệu hình sin cho hiệu
quả sử dụng phổ tốt hơn và xử lý tín hiệu dễ dàng hơn. Tiếp theo, tác giả đề xuất
phương pháp bù dịch tần Doppler không sử dụng các ký tự đặc biệt mà dùng tần
số sóng mang CFP (Nội dung này được cấp Bằng sáng chế của Cục sở hữu trí tuệBộ Khoa học và Công nghệ).Cuối cùng, tác giả đưa ra phương pháp mới về giải
mã trực tiếp sử dụng CFP để bù dịch tần Doppler cho hệ thống dưới nước.
Cải thiện chất lượng tín hiệu thủy âm sử dụng đặc tính phân tập không gian-thời
gian của hệ thống MIMO. Phương pháp đề xuất truyền tín hiệu thủy âm từ một
cặp anten thu-phát (SISO), tín hiệu truyền đi được lặp lại nhiều lần tùy thuộc vào
chất lượng kênh truyền. Các tín hiệu được truyền đi lặp lại ở các thời điểm khác
nhau nên tạo ra sự phân tập về thời gian và sự dịch chuyển tương đối giữa bên
phát và bên thu tạo nên sự phân tập về không gian cho hệ thống. Đề xuất thuật
tốn lựa chọn tín hiệu thu sử dụng thuật tốn giải mã tối ưu tín hiệu của N khung
tín hiệu OFDM nhận được nhằm tối ưu hóa q trình giải mã tín hiệu và tăng
hiệu quả của q trình truyền tin.
9. Bố cục của luận án
Nội dung của luận án chia làm 4 chương:
Chương 1. Tổng quan về hệ thống thơng tin dưới nước
Chương này gồm 2 phần:
Trình bày các đặc tính của hệ thống truyền thơng tin dưới nước
Ứng dụng kỹ thuật OFDM cho hệ thống thủy âm và so sánh ưu nhược điểm của hệ
thống OFDMA và SC-FDMA.
Chương 2. Đồng bộ tín hiệu cho hệ thống OFDM
Chương này gồm 2 phần:
Trình bày các phương pháp đồng bộ thời gian cho hệ thống OFDM.
Đề xuất phương pháp đồng bộ thời gian mới chỉ sử dụng khoảng bảo vệ GI kết
hợp với thuật tốn xác định vị trí khoảng bảo vệ.
Chương 3. Phương pháp bù dịch tần Doppler
Chương này gồm 3 phần:
Đề xuất bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi tín hiệu hình sin với kết quả có nhiều
ưu điểm so với các phương pháp hiện nay.
Đề xuất phương pháp hồn tồn mới, khơng sử dụng chuỗi ký tự đặc biệt mà chỉ
sử dụng tín hiệu sóng mang dẫn đường CFP để tính tốn và bù dịch tần Doppler
qua
2 bước đồng bộ thô (coarse synchronization) và đồng bộ tinh (fine
synchronization).
Nghiên cứu cải tiến và đưa ra phương pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sử
dụng kết hợp CFP để bù dịch tần Dopple chỉ sử dụng một bước đồng bộ duy nhất.
Chương 4. Truyền thông dưới nước sử dụng mơ hình SISO (1 anten phát-1 anten thu) kết
hợp đặc tính phân tập khơng gian-thời gian của hệ thống MIMO
Chương này gồm 2 phần:
Trình bày về đặc tính phân tập không gian- thời gian của hệ thống MIMO.
Áp dụng kỹ thuật phân tập không gian-thời gian cho hệ thống truyền thông dưới
nước chỉ sử dụng một cặp anten thu-phát. Kỹ thuật đề xuất đặc biệt hiệu quả đối
với trường hợp có sự dịch tần Doppler của tín hiệu thu được nghĩa là có sự chuyển
động tương đối giữa bên phát và bên thu. Phương pháp đề xuất truyền tín hiệu
thủy âm từ một cặp anten thu-phát, tín hiệu truyền đi được lặp lại nhiều lần tùy
thuộc vào chất lượng kênh truyền. Các tín hiệu được truyền đi lặp lại ở các thời
điểm khác nhau nên tạo ra sự phân tập về thời gian. Do có sự chuyển động tương
đối giữa bên phát và thu nên cùng một tín hiệu truyền đi sẽ được thực hiện ở hai vị
trí khác nhau điều này tạo nên tính phân tập trong khơng gian tín hiệu. Dựa trên
đặc tính phân tập này của tín hiệu, luận án đề xuất một phương pháp lựa chọn và
giải mã tín hiệu gần với tối ưu. Phương pháp đề xuất ưu việt hơn so với kỹ thuật
MRC thông thường và tiết kiệm thời gian giải mã tín hiệu để phù hợp với việc
truyền thông tin thời gian thực.
CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC
1.1. Giới thiệu chương
Hệ thống thông tin dưới nước [6,8] đã được nghiên cứu từ rất nhiều thập kỉ trước
trên thế giới. Cùng với các hệ thống truyền thông trên mặt đất, hệ thống thơng tin dưới
nước ngày càng góp phần quan trọng vào các lĩnh vực của cuộc sống. Tuy nhiên, do
những tính chất của mơi trường nên hệ thống thơng tin thủy âm có nhiều điểm khác biệt
với hệ thống thơng tin thơng thường sử dụng sóng vơ tuyến trên mặt đất.
Chương 1 trình bày về các đặc điểm của sóng âm - loại sóng được sử dụng trong
truyền thông tin dưới nước, và các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống, qua đó giúp ta có
được cái nhìn tổng quan về hệ thống.
1.2. Đặc điểm hệ thống truyền thông tin dưới nước
Hệ thống truyền thông tin dưới nước mà đặc biệt là truyền nước nông mà luận án tập
trung nghiên cứu có những đặc tính khác biệt so với hệ thống truyền thơng tin trên cạn.
Cụ thể đó là trong mơi trường nước có rất nhiều các yếu tố ảnh hưởng đến q trình
truyền thơng tin đó là yếu tố thuộc đặc tính mơi trường nước, địa hình bề mặt đáy, tính đa
đường, hiệu ứng Doppler,… [12-14]. Chính vì vậy, việc tập trung nghiên cứu vào các vấn
đề đồng bộ hệ thống, bù dịch tần Doppler, loại bỏ các loại nhiễu ISI, ICI, giải mã, khôi
phục và cải thiện chất lượng tín hiệu là mục tiêu của luận án.
1.3. Hệ thống truyền thông tin dưới nước
Phần này sẽ trình bày về những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng âm
dưới nước. Các yếu tố này bao gồm: các yếu tố về mơi trường, tính đa đường, suy hao,
nhiễu môi trường, hiệu ứng Doppler,… [9, 10, 11].
1.3.1. Các thông số chủ yếu của môi trường thủy âm
Bảng 1. Các thông số của hệ thống truyền tin dưới nước [10,11,12]
Tốc độ truyền
Suy hao năng
lượng
Băng thơng
Sóng âm
Sóng vơ tuyến
Sóng ánh sáng
~1500 m/s
~33.333.333 m/s
~33.333.333 m/s
>0,1dB/m/Hz
~28 dB/km/100MHz
~kHz
~MHz
Phụ thuộc vào độ đục
của nước
~10-150 MHz
Kích thước
~0,1 m
~0,5 m
Dải tần hoạt động
~kHz
~MHz
Khoảng cách
~km
~10 m
Ănten
~0,1 m
14
10
- 10
15
Hz
10-100 m
1.3.2. Tính đa đường trong lan truyền sóng âm
Truyễn dẫn đa đường trong truyền thông vô tuyến [14] gây ra nhiễu liên kí tự ISI
(Inter - Symbol Interference) và Fading của kênh trong miền tần số. Mặt khác, truyền dẫn
đa đường dẫn đến khoảng thời gian trễ khác nhau của các tín hiệu khác nhau nhận được ở
phía thu, điều này làm khó khăn cho q trình hiệu chỉnh dữ liệu. Hiện tượng đa đường
[13] trong môi trường nước khác rất nhiều so với hiện tượng đa đường trong mơi trường
trên cạn. Nó bị chi phối bởi hai hiệu ứng: phản xạ âm thanh ở bề mặt, ở đáy, hay phản xạ
với bất kì vật thể nào và khúc xạ âm thanh trong nước [14]. Mỗi đường truyền có những
đặc trưng riêng của mình, chẳng hạn như sự lan truyền, hấp thụ, tốc độ trải trễ. Do đó,
mơ hình hệ thống thực nghiệm cần phải được xem xét cho từng loại đường dẫn.
1.3.3. Suy hao trong mơi trường nước
Tín hiệu sóng âm khi truyền trong mơi trường nước [15] sẽ chịu ảnh hưởng của
suy hao. Suy hao trong môi trường nước khi truyền sóng âm sẽ ảnh hưởng đến rất nhiều
yếu tố đó là việc lựa chọn tần số sóng âm để truyền và phạm vi truyền tín hiệu.
1.3.4. Nhiễu môi trường
Nhiễu trong một kênh thông tin dưới nước bao gồm nhiễu từ môi trường xung
quanh và nhiễu tại một vị trí cụ thể. Nhiễu từ mơi trường xung quanh luôn luôn tồn tại,
trong khi nhiễu tại một vị trí cụ thể là duy nhất cho vị trí đó. Nhiễu từ môi trường xung
quanh xuất phát từ một số nguồn như sự bất ổn định, sóng vỗ, mưa và chuyển động của
tàu thuyền. Nhiễu này không phải là nhiễu trắng và được xấp xỉ bằng nhiều Gauss. Mặt
khác, nhiễu tại một vị trí cụ thể thường có chứa một số lượng lớn các thành phần không
phải nhiễu Gauss.
1.3.5. Hiệu ứng Doppler
Chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát gây nên thay đổi trong đáp ứng
kênh truyền do hiệu ứng Doppler [15,16]. Biên độ của hiệu ứng Doppler tỉ lệ với tỉ số:
a
v
, trong đó v là chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát, c là vận tốc âm
c
thanh trong nước. Do vận tốc âm thanh trong nước là khá nhỏ khi so sánh với vận tốc của
sóng điện từ trên khơng trung nên ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler là rất lớn [18,26,27].
Các thiết bị tự động dưới nước di chuyển với tốc độ khoảng vài m/s, tuy nhiên kể cả khi
khơng có những chuyển động thì những ảnh hưởng như sự trơi dạt gây nên bởi sóng, thủy
triều cũng ln tồn tại. Nói cách khác ln có chuyển động tương đối giữa máy thu và
máy phát, hệ thống thông tin thông tin dưới nước cần được thiết kế nhằm giải quyết vấn
đề này. Vấn đề này có nhiều điểm tương đồng với hệ thống vơ tuyến dẫn qua vệ tinh.
Méo tín hiệu gây ra do chuyển động của thiết bị tác động đến việc thiết kế thuật toán
đồng bộ và ước lượng kênh truyền.
Mức độ ảnh hưởng của méo lên tín hiệu phụ thuộc trực tiếp vào giá trị của thông
số a . Ta làm phép so sánh sau: với hệ thống thông tin vơ tuyến có độ dịch chuyển tương
đối giữa nguồn thu và phát là: 160km/h thì
a 1.5107 , giá trị này đủ nhỏ để ảnh
hưởng của hiệu ứng Doppler có thể được bỏ qua. Nói cách khác, việc xem xét ảnh hưởng
độ méo của tín hiệu trong q trình đồng bộ là khơng cần thiết vì xác suất lỗi bit là rất
nhỏ. Ngược lại, với kênh thông tin dưới nước, giả sử độ dịch chuyển giữa nguồn phát và
thu là 0.5 m/s thì a 3104 . Nếu như dịch chuyển tương đối lên tới vài m/s, giá trị
của a vào khoảng a 103 , nên giá trị này không thể bỏ qua được.
Dịch chuyển Doppler [17] và trải phổ Doppler sinh ra do chuyển động tương đối
là một trong những yếu tố khác biệt giữa kênh thông tin dưới nước với kênh thông tin
trên cạn. Trải phổ Doppler gây ra lệnh pha, trễ đồng bộ. Trong hệ thống thơng tin dưới
nước dùng đa sóng mang, hiệu ứng Doppler còn gây ra méo đặc biệt nghiêm trọng. Trong
hệ thống thông tin vô tuyến trên không trung, sự nén, giãn theo thời gian là có thể bỏ qua,
hiệu ứng Doppler là như nhau với tất cả các sóng mang con. Với hệ thống thông tin dưới
nước, ảnh hưởng của dịch chuyển Doppler lên mỗi sóng mang con là khác nhau đáng kể,
điều này gây nên méo Doppler không động bộ trên tồn bộ băng thơng tín hiệu.
Gần đây, việc phát hiện ra tín hiệu đa đường khơng phải liền nhau, mà là những tín
hiệu tới cách biệt nhau đã giúp cải thiện đáng kể hiệu năng của cả hệ thống đơn sóng
mang và đa sóng mang. Những nghiên cứu gần đây cũng đạt được kết quả nhất định
trong việc đánh giá những cải thiện trong kênh thông tin thủy âm sử dụng.
1.3.6. Nhận xét
Về cơ bản việc truyền tín hiệu trong mơi trường khơng khí và trong mơi trường
nước có nhiều điểm giống nhau. Khi truyền tín hiệu trong mỗi mơi trường đều gặp phải
những vấn đề về đường truyền, các loại suy hao và nhiễu ảnh hưởng lên hệ thống. Nhưng
vì mơi trường dưới nước là mơi trường có tính chất phức tạp hơn nên việc khơi phục tín
hiệu sau khi truyền đi cũng tương đối khó khăn. Chính những khó khăn này của truyền
thơng dưới nước đã thúc đẩy việc nghiên cứu chuyên sâu để đưa ra các biện pháp kỹ
thuật mới được đề cập trong nội dung của luận án.
1.4. Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao (OFDM) trong mơi trường dưới
nước
Có nhiều kỹ thuật được sử dụng cho việc truyền thông tin dưới nước như ASK,
FSK, M_PAM, M_QAM. Mỗi kỹ thuật có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau
[1,2]. Tuy nhiên với mục tiêu sử dụng hiệu quả băng thơng thì kỹ thuật điều chế OFDM
là một trong những kỹ thuật được luận án lựa chọn. Việc sử dụng kỹ thuật điều chế đa
sóng mang trực giao OFDM đã được áp dụng trong [6], [17].
Luận án sẽ trình bày về kỹ thuật OFDM và mơ hình hệ thống OFDM để qua đó ta
có cái nhìn tổng quát về kỹ thuật OFDM và ứng dụng kỹ thuật đó trong truyền thơng
dưới nước.
1.4.1. Giới thiệu kỹ thuật OFDM
OFDM là cụm từ viết tắt của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và ghép
kênh. Trong OFDM chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) được chia thành N
chuỗi con song song (từ chuỗi dữ liệu 1 đến chuỗi dữ liệu N) có tốc độ thấp hơn (R/N). N
chuỗi con này được điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang này
được cộng với nhau và được phát lên kênh truyền đồng thời. Ở phía q trình thu tín hiệu
thì được thực hiện ngược lại.
OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency-division multiplexing). Bản
chất trực giao của các sóng mang phụ OFDM cho phép phổ của các chuỗi con sau điều
