Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

MỤC LỤC

MỤC LỤC .................................................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 4
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... 6
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ 7
LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................... 10
TÓM TẮT LUẬN VĂN .......................................................................................... 11
GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................................ 12
Mục đích thiết kế .................................................................................................... 12
Phương pháp thực hiện ........................................................................................... 12
C

N

N

AN V

N

N D ỚI N ỚC ...................... 13

Giới thiệu chương ................................................................................................... 13
1.1.

Sóng âm thanh ............................................................................................. 13

1.1.1.

Vận tốc sóng âm dưới nước .................................................................. 14

1.1.2.

Phân loại sóng âm ................................................................................. 17

1.2.

Đặc điểm kênh truyền dưới nước ................................................................ 17

1.2.1.

Các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền dưới nước ............................... 17

1.2.2.

Suy hao trong môi trường dưới nước ................................................... 19

1.2.3.

Nhiễu môi trường .................................................................................. 31

1.2.4.

Hiện tượng truyền đa đường ................................................................. 34

1.2.5.

Trễ truyền dẫn ....................................................................................... 36

1.2.6.

Ảnh hưởng của hiện tượng Doppler ..................................................... 36

1.3.

Các tham số đánh giá hiệu quả của kênh ..................................................... 38
1


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

1.3.1.

Đánh giá tỉ số SNR – Tần số tối ưu ...................................................... 38

1.3.2.

Đánh giá băng thông, tỉ số C/B ............................................................. 39

Kết chương .............................................................................................................. 43
C

N

2 GIỚI THIỆU V CÔNG NGHỆ ĐA

N ẬP OFDMA ..... 44

Giới thiệu chương ................................................................................................... 44
2.1 Tổng quan về công nghệ đa truy nhập .............................................................. 45
2.2 Kỹ thuật OFDM ................................................................................................ 47
2.3 Nguyên lý cơ bản của công nghệ OFDMA ...................................................... 50
2.4 Ưu nhược điểm của công nghệ OFDMA .......................................................... 52
Kết chương .............................................................................................................. 53
C

N
ÔN

3 XÂ

DỰNG THUẬ

OÁN ĐA

N ẬP CHO HỆ THỐNG

IN D ỚI N ỚC SỬ DỤNG OFDMA................................................ 54

Giới thiệu chương ................................................................................................... 54
3.1 Đặt vấn đề ......................................................................................................... 54
3.2 Đặc tính kênh truyền dưới nước ....................................................................... 55
3.2.1

Suy hao đường truyền trong môi trường nước ..................................... 55

3.2.2

Nhiễu màu trong môi trường nước ....................................................... 55

3.1 Các vấn đề điều khiển truy nhập ....................................................................... 56
3.1.1

Vấn đề về nút ẩn (hidden node problem).............................................. 57

3.1.2

Vấn đề về nút hiện (exposed node problem) ........................................ 58

3.1.3

Vấn đề về sự tắc nghẽn (blocking) ....................................................... 59

3.2 Phương thức phân bố sóng mang con cho hệ thống đa truy nhập OFDMA ..... 60
3.2.1

Mô tả giao thức thực hiện ..................................................................... 60

3.2.2

Giải quyết vấn đề node ẩn, node hiện ................................................... 61

3.2.3

Phương pháp phân bổ sóng mang con .................................................. 62

3.2.4

Xác định thông lượng của hệ thống ...................................................... 63
2


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

3.3 Thuật toán lựa chọn công suất phát tối ưu ........................................................ 63
Kết chương .............................................................................................................. 66
C

N

4

ẾT QUẢ ĐẠ Đ ỢC.................................................................... 67

Giới thiệu chương ................................................................................................... 67
4.1 Mô hình kênh truyền dẫn .................................................................................. 67
4.2 Xây dựng kịch bản mô phỏng ........................................................................... 67
4.3 Kết quả mô phỏng ............................................................................................. 70
Kết chương .............................................................................................................. 77
KẾT LUẬN VÀ

ỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................. 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 79

3

Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận văn dựa trên các
kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép bất kỳ kết
quả nghiên cứu của tác giả khác. Nội dung của luận văn có tham khảo và sử dụng
một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí được liệt kê trong danh mục các
tài liệu tham khảo.

Lưu hị Oanh

4


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

DANH MỤC Ừ VIẾ

Ắ

Ý nghĩa

Thuật ngữ

Từ gốc

OFDM

Orthogonal Frequency Divionsion Kỹ thuật điều chế đa sóng mang
Multiplex

OFDMA

trực giao

Orthogonal Frequency Divionsion Kỹ thuật đa truy nhập phân chia
Multiple Access

FDMA

TDMA

Frequency

Divionsion

theo tần tố trực giao
Multiple Kỹ thuật đa truy nhập phân chia

Access

theo tần tố

Time Divionsion Multiple Access

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia
theo thời gian

CDMA

Code Divionsion Multiple Access

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia
theo mã

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

ISI

Inter Symbol Interference

Nhiễu xuyên kí tự

ICI

Inter Channel Interference

Nhiễu xuyên kênh

AWGN

Add White Gauss Noise

Nhiễu trắng

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ vuông góc

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Điều chế pha cầu phương

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế pha nhị phân

5


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

DAN

MỤC BẢN

BIỂ

Bảng 1.1 Giá trị bt của từng loại đáy khác nhau .......................................................30
Bảng 1.2 Giá trị hệ số K, n theo từng loại đáy khác nhau [5] ...................................31

6


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

DAN

MỤC

ÌN

VẼ

Hình 1.1 Sự phụ thuộc của vận tốc sóng âm vào nhiệt độ và độ sâu S 35ppt [2] 15
Hình 1.2 Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ và độ sâu (S=33ppt).................16

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của tốc độ âm thanh và độ mặn của nước [2] .....................16
Hình 1.4 Sự phụ thuộc của nhiệt độ theo độ sâu của nước biển [1] ........................18
Hình 1.5 Sự thay đổi của độ mặn theo độ sâu ( Biển Atlantic) [1]. .........................19
Hình 1.6 Hệ số hấp thụ 10 log a f trong môi trường nước ..................................20
Hình 1.7 Suy hao theo phân bố cầu ở v ng nước sâu [3] ........................................21
nh 1.

Suy hao theo phân bố trụ trong môi trường nước nông [3] ......................22

Hình 1.9 Hệ số hấp thụ theo công thức Thorp .........................................................25
Hình 1.10 Hệ số suy giảm theo tần số (công thức Francois và Garrison) [5] .........26
Hình 1.11 Hệ số suy giảm thay đổi theo độ mặn và nhiệt độ T 20

- công thức

Francois và Garrison [5] ............................................................................................27
Hình 1.12 Hệ số suy hao thay đổi theo độ mặn và nhiệt độ T 300

- công thức

Francois và Garrison [5]............................................................................................28
Hình 1.13 Hệ số suy hao theo các mô hình khác nhau. (T=4oC, D=1000m, pH=8)
[5] ..............................................................................................................................28
Hình 1.14 Phản xạ và kh c xạ tại mặt phân cách hai chất lỏng [5] .........................29
Hình 1.15 Nhiễu môi trường cho với những tần số khác nhau, vận tốc gió là .......33
nh 1.1

ô h nh đa đường theo lý thuyết tia [6] .................................................35

nh 1.1

Sự phụ thuộc của SN vào khoảng cách truyền và tần số [ ] ...............38

7


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

nh 1.1

iá trị tần số tối ưu theo khoảng cách [ ] ...............................................39

nh 1.1

ảng các giá trị b0 , c0 , p0 , 0 ,  0 ,  0 theo SNR [7] ....................................42

nh 1.20

iá trị của [k

nh 1.21 Đặc tuyến

] và [k

] theo khoảng cách [ ] ..............................42

theo SNR0 và Eb / N0 [7]................................................43

nh 2.1 Sơ đồ hệ thống thông tin chung ................................................................45
nh 2.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số ............................................................46

nh 2.3 Đa truy nhập phân chia theo thời gian ......................................................46
nh 2.4 Đa truy nhập phân chia theo mã ................................................................47
nh 2.5 Điều chế OFDM với nguyên lý trực giao .................................................48
nh 2.

Sơ đồ hệ thống thông tin sử dụng điều chế OFDM .................................48

Hình 2.7 OFDMA phân bố các user trong miền thời gian và tần số .......................51
nh 2.

Sơ đồ khối hệ thống OFDMA ...................................................................51

Hình 3.1 Vấn đề node ẩn (The hidden terminal problem) .......................................57
Hình 3.2 Vấn đề node hiện (The exposed node problem) .......................................58
Hình 3.3 Vấn đề Blocking (Node C is blocked) ......................................................59
Hình 4.1 Mô tả sơ đồ hệ thống xây dựng cho kênh truyền. .....................................67
Hình 4.2 Mô hình mạng ............................................................................................68
Hình 4.3 Quá trình lựa chọn sóng mang con ...........................................................69
Hình 4.4 Lựa chọn sóng mang con điều khiển ........................................................71
Hình 4.5 Sự tiết kiệm năng lượng khi tối ưu công suất ...........................................72
8


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

Hình 4.6 Sự thay đổi công suất tối ưu khi tốc độ yêu cầu thay đổi trong trường hợp
nhiễu trắng .................................................................................................................73
Hình 4.7 Sự thay đổi công suất tối ưu khi tốc độ yêu cầu thay đổi trong trường hợp
nhiễu màu ..................................................................................................................73
Hình 4.8 Sự thay đổi về công suất phát trung bình theo khoảng cách trong môi

trường nhiễu trắng ở tốc độ Ro=2000 bps ................................................................74
Hình 4.9 Sự thay đổi về công suất phát trung bình theo khoảng cách trong môi
trường nhiễu màu ở tốc độ Ro=2000 bps ..................................................................75
Hình 4.10 Công suất phát tối ưu trong phân bố ngẫu nhiên và phân nhóm theo
khoảng cách ...............................................................................................................76

9


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

LỜI NÓI ĐẦ
Các công nghệ đa truy nhập là nền tảng của các hệ thống thông tin đa truy
nhập vô tuyến. Các công nghệ này cho phép các hệ thống đa truy nhập vô tuyến
phân bổ tài nguyên vô tuyến một cách hiệu quả cho nhiều người sử dụng. Trong đó,
công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) với nhiều ưu việt
so với các công nghệ khác nên đang dần trở thành công nghệ đa truy nhập chính.
Nhu cầu thông tin liên lạc dưới nước ở

iệt Nam ngày càng trở nên cần thiết

với mục đích khác nhau như thám hiểm tài nguyên biển, vận hành các phương tiện
dưới biển tự động và uân sự. Tuy nhiên, do sự khác biệt cơ bản về đặc tính của
môi trường không gian tự do và môi trường biển nên những công nghệ sử dụng cho
thông tin vô tuyến hiện thời khó có thể áp dụng cho việc thông tin dưới nước. Đặc
biết dải tần số cho thông tin liên lạc dưới nước lại hạn hẹp (KHz). Xuất phát từ nhu
cầu thực tế đó và trong khuôn khổ luận văn này, tôi xin trình bày về việc xây dựng
thuật toán đa truy nhập sử dụng công nghệ OFDMA cho hệ thống thông tin dưới
nước.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS.Nguyễn

ăn Đức đã tận tình chỉ bảo

gi p đỡ tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn.

ới thời gian và kiến thức

còn hạn hẹp nên luận văn không tránh khỏi tồn tại nhiều thiếu sót. Tôi mong sẽ
nhận được sự chỉ bảo, góp ý của thầy cô và các bạn để phát triển đề tài này tốt hơn
nữa.

10


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

ÓM Ắ L ẬN VĂN
Luận văn đề cập đến vấn đề xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng công
nghệ OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước.
Nội dung luận văn bao gồm 6 phần :
 Giới thiệu chung
 Chương : Tổng quan về hệ thống thông tin dưới nước
Tổng quan hệ thống thông tin dưới nước, vai trò của hệ thống thông tin thủy
âm, các đặc tính sóng thủy âm và đặc tính của kênh truyền thủy âm.
 Chương 2: Giới thiệu về công nghệ đa truy nhập OFDMA
Trình bày ngắn gọn về nguyên lý hoạt động và ưu nhược điểm của công nghệ
đa truy nhập OFDMA.
 Chương 3: Xây dựng thuật toán đa truy nhập cho hệ thống thông tin dưới
nước sử dụng OFDMA
Trình bày thuật toán cho việc phân bổ sóng mang con, cấp phát công suất

cho mỗi sóng mang con của từng người sử dụng, nhằm tối thiểu công suất
mà vẫn đảm bảo được tốc độ bit mong muốn.
 Chương 4: Kết quả mô phỏng hệ thống
Trình bày về kết quả đã đạt được dựa vào thuật toán đề xuất ở chương 3.
 Kết luận và hướng phát triển

11


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

IỚI

IỆ C

N

Mục đích thiết kế
Ngày nay khi nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng phát triển mạnh mẽ đặc
biệt như với môi trường truyền dẫn dưới nước các phương tiện giao thông trên biển,
tàu ngầm, thiết bị nghiên cứu, thông tin về thời tiết, thông tin quân sự ... thì yêu cầu
về nghiên cứu hệ thống và tối ưu hệ thống đa người dùng trở thành yêu cầu cần thiết
và có tính thực tiễn cao. Không nằm ngoài mục đích đó, trong khuôn khổ nghiên
cứu và thiết kế của luận văn, gi p t m hiểu, nghiên cứu và mô phỏng thuật toán đa
truy nhập sử dụng OFDMA trong truyền dẫn môi trường dưới nước. Tạo ra hệ
thống thân thiện và hiệu suất sử dụng phổ vô tuyến cao kèm theo các đánh giá và
hướng phát triển tiếp theo.
Phương pháp thực hiện
Tiếp cận vấn đề từ việc nghiên cứu công nghệ triển khai, từ lý thuyết về
nguyên lý OFD

đến OFDMA.

Khảo sát đặc điểm của kênh truyền dưới nước, các yếu tố cơ bản ảnh hưởng
đến khả năng truyền sóng như suy hao trong môi trường nước theo khoảng cách,
các loại nhiễu.
Xây dựng thuật toán phân bổ sóng mang con, cấp phát công suất cho mỗi
sóng mang nhằm tối thiểu công suất mà vẫn đảm bảo được tốc độ bit mong muốn
đối với công nghệ đa truy nhập sử dụng OFDMA vào mô hình kênh truyền dưới
nước trong hệ thống thông tin liên lạc dưới nước.

12


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

C

N

N

AN V

N

N D ỚI N ỚC

Giới thiệu chương
H

v i nhiều mụ đí
, các yếu t ả

ở
ề đ

thông tin liên lạc th y âm

k

í

đế

ng truyền sóng

k

đ đ đảm bảo truyền thông tin ổ định và chính xác vi c nghiên cứu
k
í

ề đ

đ

đ
đ

ế kế

ế

C

ơ g 1 sẽ

ịk
đ

đ

ả

kế

ế

ả

đ

Do

đ

í

đ

đ

.
đ m c a sóng âm,

ở

đế

đ c tính kênh truyễn dẫn th y âm.

th
1.1. Sóng âm thanh

Do mức độ suy hao rất lớn trong môi trường lan truyền dưới nước nên việc
thông tin dưới nước thực tế khó có thể thực hiện được bằng sóng điện từ trường.
Sóng quang học tuy không có suy hao lớn trong môi trường nước nhưng lại bị nhiễu
bởi hiện tượng tán xạ.

ho đến nay, phương pháp hiệu quả và thông dụng nhất cho

việc truyền dẫn thông tin vô tuyến dưới nước là sử dụng sóng âm.
Sóng âm lan truyền dựa vào sự đàn hồi hoặc thay đổi áp suất của môi trường
vật chất.

ôi trường vật chất có thể là chất lỏng, khí, kim loại… ác sóng tạo ra do

những áp lực từng đợt trong môi trường truyền lan, tạo ra sự biến thiên mật độ vật
chất theo dạng sóng. Vận tốc lan truyền t y thuộc vào môi trường vật chất, nhiệt độ
và áp suất.
Những đặc điểm cơ bản nhất của sóng âm được tr nh bày trong các phần dưới

đây.

13


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

1.1.1.

Vận tốc sóng âm dưới nước

Vận tốc sóng âm trong môi trường nước biển là khá ổn định. Thông thường,
vận tốc sóng âm c sẽ biến thiên từ 1450 tới 1540m s. Tuy nhiên, những thay đổi nhỏ
trong vận tốc sóng âm c ng có những ảnh hưởng lớn tới lan truyền sóng ở trong
nước. Vận tốc âm thanh trong nước biển đã được mô h nh hóa ở nhiều mô h nh
toán học khác nhau. Trong đó có phương tr nh

acken ine được tr nh bày trong

[2], ở đây tốc độ âm thanh trong nước biển được tính toán với một ước lượng tốc độ
sai số khá nhỏ cỡ 0.070m/s).
(
(

)
)

(1.1)

Trong đó

 v là tốc độ âm thanh tính theo m s
 T là nhiệt độ theo độ C
 S là độ mặn thep phần ngh n ppt
 D là độ sâu theo m.
Phương tr nh

ac en ine được ứng dụng thông dụng hơn nhiều các công thức

khác v nó không bị giới hạn bởi việc chỉ áp dụng cho một độ sâu nhất định.
Trong Hình 1.1 màu sắc của đồ thị chỉ ra giá trị mật độ của tốc độ, từ màu xanh
tới màu đỏ biểu diễn sự tăng của tốc độ âm thanh. Hình 1.2 cho ta thấy tốc độ âm
thanh trong nước biển không phải là giá trị cố định 1500m s mà nó thay đổi từ
1400÷ 1700 m/s, với độ sâu trên

km và nhiệt độ trên 30 độ C. Ngoài ra, Hình

1.2 c ng chỉ ra rằng tốc độ âm thanh tăng theo độ sâu và sự tăng của nhiệt độ
môi trường.
Với biển Đông

iệt Nam, nhiệt độ và độ mặn của nước biển thay đổi nhiều

theo các chu kỳ trong năm, và theo vị trí ven bờ hay ngoài khơi và đương nhiên cả
theo độ sâu. ơn nữa, v ng ịnh ắc ộ, biển miền Trung và biển miền Nam c ng

14


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

có đặc điểm khác nhau khá nhiều. Nhưng theo thống kê th có thể lấy S 30 40ppt
trung b nh 33ppt , T 10 30 độ C.

Hình 1.1 Sự hụ thu c của vận tốc sóng âm

o nhiệt đ

đ sâu

35ppt) [2]

Dù tốc đô âm thanh tăng theo cả nhiệt đô và đô sâu, nhưng theo chiều tăng nhiệt
độ đặc tính tốc đô âm thanh dốc hơn nhiều. Tốc đô âm thanh đối với v ng biển iệt
Nam có đô sâu dưới 1000m thay đổi từ 1400÷1560 m/s.

15


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

Hình 1.2 Tốc đ âm thanh phụ thu c

o nhiệt đ

Hình 1.3 Sự phụ thu c của tốc đ âm thanh

16

đ sâu (S=33ppt)

đ m n của nước [2]


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

Như ta thấy ở Hình 1.3 mặc d tốc độ âm thanh thay đổi theo sự thay đổi của độ
mặn, nhưng thậm chí những giá trị về độ sâu và nhiệt độ được cho là tối ưu cho sự
thay đổi của tốc độ âm thanh, mà tốc độ âm thanh c ng chỉ thay đổi 10m/s trong
phạm vi tăng giảm độ mặn đi 10ppt.

vậy ta có thể lấy một giá trị cố định cho độ

mặn mà sai số hoàn toàn chấp nhận được. Sử dụng phương tr nh

ac en ine, xây

dựng một đồ hình cho tốc độ âm thanh trong nước thay đổi theo độ sâu và nhiệt độ
trong

nh 1.5. Độ mặn ở đây lấy cố định là 35ppt đã tr nh bày hiệu quả nhất về

ảnh hưởng của độ sâu và nhiệt độ, hai biến số thay đổi nhiều nhất trong môi
trường nước sâu.
1.1.2.

Phân loại sóng âm
ng giống như sóng điện từ, sóng âm chiếm một dải tần số rất rộng. Tuỳ theo

tần số có thể phân chia sóng âm thành các v ng sau đây
 Vùng hạ âm tần số dao động từ 1

đến 16 Hz.

 Vùng âm có tần số dao động từ 1

đến 16 kHz.

 Vùng siêu âm có tần số dao động từ 1 k

đến 10 MHz.

 Vùng cực siêu âm có tần số dao động từ 10

đến 1013 MHz tương

đương tần số dao động nhiệt của mạng tinh thể.
1.2. Đặc điểm kênh truyền dưới nước
1.2.1.

Các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền dưới nước

Các yếu tố ảnh hưởng lên hệ thống kênh truyền dưới nước bao gồm:


Nhiệt độ (T)



Nồng độ muối (S)



Độ pH của nước biển ( pH)



Độ sâu(D) hay áp suất của nước (P)



Sự biến động của bề mặt và địa h nh đáy

Các thông số này bên cạnh sự ảnh hưởng của ch ng lên hệ thống kênh truyền
dưới nước, bản thân giữa ch ng c ng có mỗi quan hệ mật thiết với nhau. Dựa trên
17


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

thực nghiệm, Hình 1.4 chỉ ra sự phụ thuộc của nhiệt độ của nước biển theo độ sâu
được khảo sát vào mùa hè trên nhiều vùng biển để có được kết quả đặc trưng
nhất[1]:

Hình 1.4 Sự phụ thu c của nhiệt đ theo đ sâu của nước biển [1]

Nhiệt độ giảm theo chiều tăng của độ sâu và với mực nước càng sâu thì mức
giảm càng nhanh. Tương tự như nhiệt độ, độ mặn c ng là thông số thay đổi rất
nhiều theo độ sâu. Ở Việt Nam do có khá nhiều sông đổ ra biển nên vùng ven bờ độ
mặn là thấp nhất, độ mặn c ng thay đổi nhiều theo m a mưa và khô. Đồ thị sau là
một ví dụ được khảo sát ở vùng biển Atlantic [1]:

18


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

Hình 1.5 Sự thay đổi của đ m n theo đ sâu ( Biển Atlantic) [1].

Đường biểu diễn sự thay đổi của độ mặn theo độ sâu khá phức tạp đặc biệt là
trong v ng halocline. Độ mặn bị giảm mạnh khi độ sâu tăng, ua v ng đó, độ mặn
lại có xu hướng tăng nhẹ theo độ sâu.
1.2.2.

uy hao trong môi trường dưới nước

Tín hiệu sóng âm khi truyền trong môi trường nước sẽ chịu ảnh hưởng của suy
hao. Suy hao trong môi trường nước sẽ ảnh hưởng đến rất nhiều yếu tố việc chọn
lựa tần số và phạm vi truyền tín hiệu.
Hệ số suy hao:
ệ số suy hao của kênh sóng âm trong môi trường thủy âm phụ thuôc vào
khoảng cách máy phát và máy thu và tần số làm việc như sau [4] :
19


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

(

)

( )

(1.2)

Trong đó
 d là khoảng cách tuyến đường truyền dẫn.
 f là tân số.
 k là hệ số tán xạ phụ thuộc vào hình dạng địa lý của môi trường truyền
dẫn (có giá trị khoảng từ 1.5 đến 2).

ệ số k trong môi trường truyền

sóng radio trên cạn là hệ số m suy hao.
 a f là hệ số hấp thụ thể hiện như ở Hình 1.6.

Hình 1.6 Hệ số hấp thụ 10 log a f ) trong môi trường nước

1.2.2.1.

Suy hao trải hình học

Suy hao do khoảng cách hay còn gọi là suy hao trải hình học. Suy hao trải hình
học của một tín hiệu ảnh hưởng tới sự giảm cường độ âm thanh theo số m tại một
cự ly nào đó.
Để có thể đánh giá ảnh hưởng của suy hao một cách chính xác nhất, người ta
chia suy hao thành các loại khác nhau. Mô hình suy hao do sự phân bố hình cầu xảy
ra trong môi trường nước sâu. Trong môi trường nước nông, khi khoảng cách truyền
lớn, năng lượng sóng âm có xu hướng bị giới hạn bởi hai mặt phẳng là: mặt nước và

20

Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

mặt đáy. L c này mô h nh suy hao trong môi trường nước nông là suy hao do sự
phân bố hình trụ.
- Suy hao cầu
ô h nh suy hao cầu được áp dụng cho những v ng nước sâu. Trong mô h nh
suy hao cầu, mật độ năng lượng được xác định như sau [3]:
r
I 
g sphere  r    0 
 
 I  sphere  r0 

Trong đó I 0 

2

(1.3)

P
Pa
, I a2.
2
4 r
4 r0

ới r0 – khoảng cách tham chiếu thường lấy là 1m , Pa – năng lượng sóng
âm tại nguồn, I0 – mật độ năng lượng sóng âm tại khoảng cách ro, I -mật độ năng

lượng sóng âm tại khoảng cách r.
Như vậy, với suy hao theo phân bố h nh cầu, mật độ năng lượng tỉ lệ nghịch với
l y thừa bậc 2 của khoảng cách. Tính theo d
r
I 
Gsphere  r dB  10log  0 
 20log  
 I  sphere
 r0 

Hình 1.7

uy hao theo hân ố c u ở

21

ng nước sâu [3]

(1.4)


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

- Suy hao trụ
Suy hao trải h nh trụ xuất hiện khi môi trường truyền dẫn bị giới hạn bởi hai
mặt phản xạ. ai mặt phản xạ này chính là bề mặt nước và mặt đáy của môi trường.
hoảng cách giữa hai mặt phản xạ này là h, thỏa mãn điều kiện h >10λ, λ là bước
sóng của sóng âm. Suy hao do phân bố trụ được tính như sau [3]:
r
I 

g cylinder  r    0 
 
 I  cylinder  r0 

Trong đó I 0 

(1.5)

Pa
P
, và I  a .
2 hr0
2 hr

ới mô h nh suy hao phân bố trụ th mật độ công suất tỉ lệ nghịch với r. Tính
theo d th suy hao trong trường hợp này sẽ là
r
I 
Gcylinder  r   10log  0 
 10log  
 I  sphere
 r0 

Hình 1.8

1.2.2.2.

(1.6)

uy hao theo hân ố trụ trong môi trường nước nông [3]

Suy hao do hấp thụ

Sự suy giảm do hấp thụ xảy ra do sự biến đổi của năng lượng âm thanh trong
nước biển thành nhiệt. Quá trình này phụ thuộc vào tần số, tần số càng cao th năng
lượng bị hấp thụ càng nhiều.

22


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

a.

Sự hấp thụ do chuyển động của hạt
Với những tần số trên 100 kHz, sự chuyển động của hạt tạo bởi âm thanh tạo

thành nhiệt thông qua sự cản do nhớt. Sự hấp thụ chuyển đổi một phần của năng
lượng dao động thành nhiệt khi nó đi ua từng khoảng cách xác định. Tỷ lệ thất
thoát suy giảm theo hệ số m có thể được xác định bằng một tỷ lệ thông qua thuật
toán logarit đưa về dB. Cho nên hệ số suy giảm thường được biểu diễn theo dB/km
cho những kết quả đo đạc sự suy giảm dưới nước biển. Suy giảm 1 dB km có nghĩa
là năng lượng giảm 21% trên mỗi km truyền đi.
Hệ số suy giảm tăng theo b nh phương tần số. Tại những tần số lớn hơn 1 h ,
người ta thường lấy theo đơn vị d m v khi đó âm thanh suy giảm rất nhanh. Giá trị
α phụ thuộc vào nhiệt độ của nước biển T (oC) và áp suất hoặc độ sâu.
b.

Sự hấp thụ do thành phần hóa học
Một vài phân tử trong nước có nhiều hơn một trạng thái ổn định, và chúng

chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác phụ thuộc vào áp suất. Những sự thay
đổi này có thể chuyển đổi năng lượng kết hợp với áp suất âm thanh dao động thành
nhiệt. Thay đổi với tốc độ càng nhanh thì càng có ít ảnh hưởng vì những thay đổi
phân tử là quá chậm, cho nên sự hấp thụ này chỉ có ảnh hưởng ở những tần số thấp.
Độ mặn của nước biển không là nguyên nhân duy nhất gây ra sự hấp thụ hóa học,
mà sự tồn tại của axit Boric và muối MgSO4 nữa. Những tham số khác có thể ảnh
hưởng tới sự hấp thụ trong nước biển là độ p . Thường th p

được sử dụng là

tiêu chuẩn để thể hiện độ axit của nước biển [3].
Quá trình hấp thụ phụ thuộc vào tần số, tần số càng cao thì suy hao càng nhiều.
(

)

( )

Trong đó
(

): tần số phụ thuộc của sự suy hao do hấp thụ

: khoảng cách tham chiếu của đường truyền
( ): hệ số suy hao của sự hấp thụ
23

(1.7)

Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

 Phương trình horp:
Phương tr nh Thorp biểu thị sự suy giảm bởi hấp thụ là phương tr nh đơn
giản nhất vì nó chỉ xét tới ảnh hưởng của tân số mà bỏ qua ảnh hưởng của sự giãn
tần số, độ mặn, độ axit của nước biên.

iểu thức của phương tr nh đươc cho bởi

biểu thức dưới đây [5].



0.1 f 2
40 f 2

 2.75.104. f 2  0.003
2
2
1 f
4100  f

(1.8)

Phương tr nh này chỉ tính đến ảnh hưởng của tần số f
miền tần số từ 100Hz tới 3

và được áp dụng cho

và cho v ng nước biển có nhiệt độ 4

và độ sâu

xấp xỉ 1000m [2]. Những giới hạn này khiến cho phương trinh này rất khó để
đươc sử dụng trong những ứng dụng của hệ thống mạng thủy âm. Ngoài ra, bằng
việc lờ đi những hấp thụ hóa học th phương tr nh này khó có đươc kết quả chính
xác. Tuy vậy, mô hình này lại có thể ước lương một cách nhanh chóng hệ số suy
giảm, hưu ích cho việc ước lương thô kênh truyền.

350
Thorp model

absorption coefficient (dB/km)

300

250

200

150

100

50

0

0

100

200

300

400
500
600
Frequency(kHz)

24

700

800

900

1000


Xây dựng thuật toán đa truy nhập sử dụng OFDMA cho hệ thống thông tin dưới nước

Hình 1.9 Hệ số hấ thụ theo công thức Thorp

Nhìn vào Hình 1.9, ta thấy rằng suy hao tăng theo tần số.
 Phương trình Francois và

arrison

iểu thức toán học của phương tr nh Francois Garrison như sau [5]
α=

(1.9)

ệ số suy giảm α-dB/km là tổng ảnh hưởng của ba thành phần B(OH)3,
MgSO4 và nước tinh khiết.
Trong đó
-

A1 

Axit Boric

8.686 0.78 pH 5
.10
c

P1  1

(1.10)

1245
4
S
T  273
f1  2.8
.10

35

-

S
A2  21.44. (1  0.025T )
c

MgSO4

P2  1  1.37.104 zm  6.2.109 zm2
8

f2 
-

1990
( t  273)

8.17.10
1  0.0018( S  35)

(1.11)

Nước tinh khiết

 4.937 104  2.59 105 T  9.11107 T 2  1.5 108 T 3 ,T  20o C

4
5

7 2
8 3
o
3.964 10  1.146 10 T  1.45 10 T  6.5 10 T ,T  20 C

P3  1  3.83 105  zm  4.9 1010 zm2

25

(1.12)